JP4078269B2 - Flapping equipment - Google Patents

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Description

本発明は、停空飛翔可能な羽ばたき装置に関するものである。   The present invention relates to a flapping apparatus capable of flying in the air.

従来より、停空飛翔可能な飛行装置として、ヘリコプター、気球、または飛行船などが存在する。これらの飛行装置は、いずれも、浮上力を発生させる機構とは別に、停空飛翔状態での水平方向の回転制御のための機構が必要である。例えば、ヘリコプターは、浮上力を発生させるメインローターだけでは、機体の水平方向の回転の制御をすることができない。そのため、ヘリコプターには、通常、テイルローター、またはそれと等価な水平方向への風圧発生装置が用いられている。
特開平７−３０４４９９号公報 Conventionally, helicopters, balloons, airships, and the like exist as flying devices capable of flying at rest. Each of these flying devices requires a mechanism for horizontal rotation control in a stationary flight state, apart from a mechanism for generating a levitation force. For example, the helicopter cannot control the horizontal rotation of the airframe only with the main rotor that generates levitation force. Therefore, a helicopter usually uses a tail rotor or a horizontal wind pressure generator equivalent to the tail rotor.
JP-A-7-304499

しかしながら、水平方向の回転制御のために、浮上力発生機構とは別の機構が用いられれば、その別の機構自体が消費するエネルギーが発生する。また、別の機構の重量が、飛行装置の機体全体の重量を増大させる。それにより、浮上力発生機構は、大きな浮上力を発生させる能力が要求される。その結果、飛行装置が消費するエネルギーがさらに増大する。   However, if a mechanism other than the levitation force generating mechanism is used for horizontal rotation control, energy consumed by the other mechanism itself is generated. Also, the weight of another mechanism increases the weight of the entire flying device body. Thereby, the levitation force generating mechanism is required to have a capability of generating a large levitation force. As a result, the energy consumed by the flying device is further increased.

例えば、特開平７−３０４４９９号公報のヘリコプターの場合、テール部分に追加された「横方向操縦装置」の分だけ、消費エネルギーが増加してしまう。   For example, in the case of the helicopter disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-304499, the energy consumption increases by the amount of the “lateral control device” added to the tail portion.

さらに、一般に、ヘリコプターには、メインローターから機体が受けるトルクによって、所定の一方向に回転力が常にかかっている。そのため、ヘリコプターは、回転を伴わない通常の停空飛翔状態を維持するためだけでも、テールローター、または上記文献に記載の「横方向制御装置」で風圧を水平方向に発生し続けなければならない。また、ヘリコプターは、メインローターから受ける回転とは逆方向へ機体を回転させるときには、さらに大きな風圧を水平方向に発生させる必要がある。そのため、ヘリコプターは、非常に駆動効率が低い。   Further, in general, a helicopter is always subjected to a rotational force in a predetermined direction by a torque received by the airframe from the main rotor. Therefore, the helicopter must continue to generate wind pressure in the horizontal direction with the tail rotor or the “lateral control device” described in the above document only to maintain a normal stationary flight state without rotation. Further, when the helicopter rotates the aircraft in the direction opposite to the rotation received from the main rotor, it is necessary to generate a larger wind pressure in the horizontal direction. Therefore, the helicopter has a very low driving efficiency.

本発明は、従来の停空飛翔可能な飛行装置における、前述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、流体中で効率よく水平方向の回転が可能な羽ばたき装置を提供することである。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems in a conventional flying device capable of flying at rest, and an object of the present invention is to provide a flapping device capable of efficient horizontal rotation in a fluid. Is to provide.

本発明に記載の羽ばたき装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部および左羽部を備えている。また、右羽部および左羽部のそれぞれは、駆動部により駆動されて羽ばたき動作を行なう。また、左羽部および右羽部は、駆動部が搭載された本体部に取付けられている。   The flapping apparatus according to the present invention includes a right wing portion and a left wing portion for flapping a space in which a fluid exists. Further, each of the right wing and the left wing is driven by a drive unit to perform a flapping operation. Further, the left wing portion and the right wing portion are attached to a main body portion on which a drive unit is mounted.

上記のような羽ばたき装置は、本体部が左旋回または右旋回する場合には、駆動部が、左羽部および右羽部それぞれに互いに異なる態様の羽ばたき動作を行なわせる。それにより、一回または複数回の羽ばたき動作の時間平均において、左羽部および右羽部のうちの一方の羽ばたき動作が流体に及ぼす力の水平成分ベクトルと、左羽部および右羽部のうちの他方の羽ばたき動作が流体に及ぼす力の水平成分ベクトルとが左右非対称になる。   In the flapping apparatus as described above, when the main body turns left or right, the drive unit causes the left wing and right wing to perform different flapping operations. Thus, in the time average of one or more flapping motions, the horizontal component vector of the force exerted on the fluid by one flapping motion of the left wing portion and the right wing portion, and the left wing portion and the right wing portion The horizontal component vector of the force exerted on the fluid by the other flapping motion of the left and right becomes asymmetric.

上記構成によれば、右羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分と、左羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分とに差を生じさせることができる。それにより、羽ばたき装置は、その重心の周りに左右方向の旋回を行なうことが可能になる。   According to the above configuration, it is possible to make a difference between the horizontal component of the fluid force generated by the flapping operation of the right wing portion and the horizontal component of the fluid force generated by the flapping operation of the left wing portion. Thereby, the flapping apparatus can turn in the left-right direction around its center of gravity.

前述の場合に、駆動部は、右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさとを異ならせてもよい。また、前述の場合に、駆動部は右羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置と左羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置とを異ならせてもよい。これによれば、羽ばたき装置は、複雑な羽ばたき方をすることなく、左右方向の旋回をより容易に行なうことができる。   In the above case, the drive unit may make the amplitude of the flapping motion of the right wing part different from the amplitude of the flapping motion of the left wing part. In the above-described case, the drive unit may make the center position of the flapping motion of the right wing part different from the center position of the flapping motion of the left wing part. According to this, the flapping apparatus can more easily perform the turning in the left-right direction without performing complicated flapping.

さらに、羽ばたき動作の振幅の中心位置を異ならせる場合には、右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽部の羽ばたきの羽ばたき動作の振幅の大きさとがほぼ同一であることが望ましい。   Furthermore, when the center position of the flapping motion is made different, it is desirable that the amplitude of the flapping motion of the right wing portion and the amplitude of the flapping motion of the flapping motion of the left wing portion are substantially the same.

このようにすれば、右羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分と、左羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分との差のみが生じる。つまり、右羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分と、左羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分とがほぼ同一である状態で、羽ばたき装置を左または右に旋回させることができる。その結果、本体部は、揺れが生じることなく、安定して左または右に旋回することができる。   In this way, only the difference between the horizontal component of the fluid force generated by the flapping operation of the right wing portion and the horizontal component of the fluid force generated by the flapping operation of the left wing portion occurs. In other words, the flapping device is swung to the left or right while the vertical component of the fluid force generated by the flapping motion of the right wing portion and the vertical component of the fluid force generated by the flapping motion of the left wing portion are substantially the same. be able to. As a result, the main body can turn to the left or right stably without shaking.

また、前述の場合には、右羽部の羽ばたき動作の周波数と左羽部の羽ばたき動作の周波数とがほぼ同一になることが望ましい。   In the case described above, it is desirable that the frequency of the flapping motion of the right wing portion and the frequency of the flapping motion of the left wing portion are substantially the same.

この構成によれば、右羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分と、左羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分とをほぼ同一にすることが容易になる。また、右羽部の羽ばたき動作の位相と左羽部の羽ばたき動作の位相とがほぼ同一になる。そのため、本体部に加わる横揺れを低減することが可能になる。   According to this configuration, it becomes easy to make the vertical component of the fluid force generated by the flapping motion of the right wing portion substantially the same as the vertical component of the fluid force generated by the flapping motion of the left wing portion. Further, the phase of the flapping motion of the right wing portion and the phase of the flapping motion of the left wing portion are substantially the same. Therefore, it is possible to reduce the rolling applied to the main body.

また、羽ばたき装置は、一旦羽ばたき装置がホバリング状態になった後、左旋回または右旋回のための羽ばたき動作を開始することが望ましい。   In addition, it is desirable that the flapping apparatus starts a flapping operation for turning left or turning right after the flapping apparatus once enters the hovering state.

この構成によれば、羽ばたき装置は、所定の位置に留まった状態で、左または右への旋回を開始することができる。そのため、本体部は、揺れを伴わずに、安定して左または右に旋回することができる。   According to this configuration, the flapping apparatus can start turning left or right while staying in a predetermined position. For this reason, the main body can stably turn left or right without shaking.

以下、本発明の実施の形態の羽ばたき装置を図を参照して説明する。   Hereinafter, a flapping apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施の形態１）
図１〜図１８を用いて、実施の形態１の羽ばたき装置を説明する。 (Embodiment 1)
The flapping apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の羽ばたき装置１は、図１に示すように、本体５００に右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂが設けられている。また、右羽軸１０８ａには右羽１０７ａが設けられており、左羽軸１０８ｂには左羽１０７ｂが設けられている。右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂそれぞれは、本体５００内に設けられた駆動部により制御される。   As shown in FIG. 1, the flapping apparatus 1 according to the present embodiment is provided with a right wing shaft 108 a and a left wing shaft 108 b in a main body 500. The right wing shaft 108a is provided with a right wing 107a, and the left wing shaft 108b is provided with a left wing 107b. Each of the right wing shaft 108 a and the left wing shaft 108 b is controlled by a drive unit provided in the main body 500.

また、本実施の形態の羽ばたき装置１の左羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれは、図１に示すストローク面１０内を所定の振幅で往復運動する。つまり、ストローク面１０は、羽ばたき装置１の右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂが描く軌跡を含む面である。また、ストローク面１０は、水平面（ＸＹ平面）に対して、角θだけ傾いているものとする。ここでは、説明を簡単にするため、ＹＺ平面とストローク面１０との交線をＳ軸とする。また、Ｓ軸とＹ軸とがなす角はθである。   Further, each of the left wing shaft 108a and the right wing shaft 108b of the flapping apparatus 1 of the present embodiment reciprocates with a predetermined amplitude in the stroke surface 10 shown in FIG. That is, the stroke surface 10 is a surface including a locus drawn by the right wing shaft 108a and the left wing shaft 108b of the flapping apparatus 1. The stroke surface 10 is inclined by an angle θ with respect to the horizontal plane (XY plane). Here, in order to simplify the explanation, an intersection line between the YZ plane and the stroke surface 10 is taken as an S axis. The angle formed between the S axis and the Y axis is θ.

また、羽ばたき装置１は、ＺＹ平面に対して鏡面対称である、すなわち、左右対称である。したがって、羽ばたき装置１がホバリングして所定の位置に留まっているときは、右羽軸１０８ａと左羽軸１０８ｂとは左右対称の動作を行なうとともに、右羽１０７ａと左羽１０７ｂとは左右対称の位置関係を保持しながら移動する。つまり、ホバリング中には、羽ばたき装置１は、空間内において左右対称の流体力を生じさせる。   The flapping apparatus 1 is mirror-symmetric with respect to the ZY plane, that is, left-right symmetric. Therefore, when the flapping apparatus 1 is hovering and stays in a predetermined position, the right wing shaft 108a and the left wing shaft 108b perform a symmetric operation, and the right wing 107a and the left wing 107b are symmetric. Move while maintaining the positional relationship. That is, during hovering, the flapping device 1 generates a symmetrical fluid force in the space.

また、以下の説明では、羽ばたき装置の重心Ｇは、図１に示すように、Ｙ軸上の正方向の位置にあるものとする。ただし、重心Ｇの位置は、座標の原点Ｏと重なっていなければ、Ｙ軸上の正方向の位置に限定されるものではない。   In the following description, it is assumed that the center of gravity G of the flapping apparatus is at a position in the positive direction on the Y axis as shown in FIG. However, the position of the center of gravity G is not limited to the position in the positive direction on the Y axis as long as it does not overlap with the origin O of the coordinates.

また、以下の説明では、簡単のため、右羽１０７ａの羽ばたき周波数ｆと左羽１０７ｂの羽ばたき周波数ｆとは同じであるものとする。ただし、以下で述べる本実施の形態の羽ばたき装置１により得られる効果が損なわれないのであれば、右羽１０７ａの羽ばたき周波数ｆと左羽１０７ｂの羽ばたき周波数ｆとが同じであることは、特に限定条件とはならない。   In the following description, for the sake of simplicity, it is assumed that the flapping frequency f of the right wing 107a and the flapping frequency f of the left wing 107b are the same. However, the flapping frequency f of the right wing 107a and the flapping frequency f of the left wing 107b are the same as long as the effects obtained by the flapping apparatus 1 of the present embodiment described below are not impaired. It is not a condition.

右羽１０７ａの羽ばたき周波数ｆと左羽１０７ｂの羽ばたき周波数ｆとが異なると、特に、右羽１０７ａの羽ばたき動作の位相と左羽１０７ｂの羽ばたき動作の位相とがほぼ１８０°ずれた状態になったときに、本体５００が左右方向(水平方向）に揺れる。そのため、安定性を重視する場合には、右羽１０７ａと左羽１０７ｂとを同じ羽ばたき周波数で動作させることが望ましい。なお、本実施の形態では、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき周波数ｆ同士が互いに異なることに起因して、右羽１０７ａの羽ばたき動作による浮上力と左羽１０７ｂの羽ばたき動作による浮上力との差異は発生しないものとする。   When the flapping frequency f of the right wing 107a and the flapping frequency f of the left wing 107b are different, in particular, the phase of the flapping motion of the right wing 107a and the phase of the flapping motion of the left wing 107b are almost 180 ° apart. Sometimes, the main body 500 swings in the left-right direction (horizontal direction). Therefore, when importance is attached to the stability, it is desirable to operate the right wing 107a and the left wing 107b at the same flapping frequency. In the present embodiment, the difference between the levitation force caused by the flapping action of the right wing 107a and the levitation force caused by the flapping action of the left wing 107b due to the fact that the flapping frequencies f of the left and right wings 107a, 107b are different from each other. Shall not occur.

羽ばたき装置１は、ホバリングしているときには、移動することなく空間の所定の位置に留まっていることになる。そのため、右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂの１周期の羽ばたき動作で生じる鉛直下向きの流体力の時間平均の値と羽ばたき装置１にかかる重力とが釣り合っている必要がある。   The flapping apparatus 1 stays at a predetermined position in the space without moving when hovering. Therefore, it is necessary to balance the time average value of the vertically downward fluid force generated by the flapping operation of the right wing 107a and the left wing 107b with the gravity applied to the flapping device 1.

図２は、本実施の形態の羽ばたき装置１がホバリング状態から左右のいずれかに旋回する状態へ変化する場合に、左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂの振幅の中心位置が変化することを説明するための図である。図２には、左羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれが、Ｘ軸を振幅の中心として正側にγ度回動し、その後、振幅の中心の負側にγ度回動する様子が実線で示されている。この状態では、羽ばたき装置１は左右のいずれの方向へも旋回しない。   FIG. 2 illustrates that the center positions of the amplitudes of the left and right wing shafts 108a and 108b change when the flapping apparatus 1 according to the present embodiment changes from a hovering state to a state of turning to the left or right. FIG. FIG. 2 shows a solid line in which the left wing shaft 108a and the right wing shaft 108b rotate by γ degrees on the positive side with the X axis as the center of amplitude, and then rotate by γ degrees on the negative side of the amplitude center. It is shown in In this state, the flapping apparatus 1 does not turn in either the left or right direction.

また、羽ばたき装置１が左右いずれかへ旋回する場合には、左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂは、図２の実線で示す状態から点線で示す状態に変化する。すなわち、左羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれの回動（羽ばたき）の範囲が、ＸＳ平面内においてΔγ度だけ反時計まわりにずれる。それにより、右羽軸１０８ａの回動の振幅（羽ばたき角）の中心位置は、Ｘ軸からΔγ度だけ反時計まわりにずれる。また、左羽軸１０８ｂの回動の振幅の中心位置は、Ｘ軸からΔγ度だけ反時計まわりにずれる。このとき、羽ばたき装置１は、右方向（羽ばたき装置１を上側から見て右回り）へ旋回する。   Further, when the flapping apparatus 1 turns to the left or right, the left and right wing shafts 108a and 108b change from the state indicated by the solid line in FIG. 2 to the state indicated by the dotted line. That is, the range of rotation (flapping) of the left wing shaft 108a and the right wing shaft 108b is shifted counterclockwise by Δγ degrees in the XS plane. Thereby, the center position of the rotation amplitude (flapping angle) of the right wing shaft 108a deviates counterclockwise by Δγ degrees from the X axis. Further, the center position of the rotation amplitude of the left wing shaft 108b is deviated counterclockwise by Δγ degrees from the X axis. At this time, the flapping apparatus 1 turns in the right direction (clockwise when the flapping apparatus 1 is viewed from above).

また、羽ばたき装置１の羽ばたき動作により生成される流体力のうち前後方向の成分、すなわち図１のＹ軸方向（Ｓ軸）の成分は、互いに打ち消しあっていなければならない。また、羽ばたき装置１の羽ばたき動作により生成される流体力のうち左右方向の成分、すなわち図１のＸ軸方向の成分も、互いに打ち消しあっていなければならない。これらの詳しい考察は、後述する実施の形態２の２軸の羽ばたきロボットの説明で述べられている。   Further, the components in the front-rear direction, that is, the components in the Y-axis direction (S-axis) in FIG. 1 among the fluid forces generated by the flapping operation of the flapping device 1 must cancel each other. In addition, components in the left-right direction of the fluid force generated by the flapping operation of the flapping device 1, that is, components in the X-axis direction in FIG. 1 must also cancel each other. These detailed considerations are described in the description of the biaxial flapping robot of the second embodiment described later.

次に、前述の羽ばたき装置１の羽ばたき動作により生成される流体力のうち左右方向の成分について、図３を用いて説明する。   Next, the horizontal component of the fluid force generated by the above-described flapping operation of the flapping device 1 will be described with reference to FIG.

図３は、ホバリング時の打ち降ろしの際に、右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆを示している。ただし、図３では、右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂのみが示されている。また、右羽１０７ａは、右羽軸１０８ａに接続されているとともに、ストローク面１０に対して垂直な方向の面内に存在する。また、左羽１０７ｂは、左羽軸１０８ｂに接続されているとともに、ストローク面１０に対して垂直な方向の面内に存在するものとする。   FIG. 3 shows the force F exerted on the fluid by each of the right wing 107a and the left wing 107b during downhilling during hovering. However, in FIG. 3, only the right wing shaft 108a and the left wing shaft 108b are shown. Further, the right wing 107 a is connected to the right wing shaft 108 a and exists in a plane perpendicular to the stroke surface 10. Further, it is assumed that the left wing 107b is connected to the left wing shaft 108b and exists in a plane perpendicular to the stroke surface 10.

このとき、右羽軸１０８ａの羽ばたき角２γ（羽ばたき動作の振幅）と左羽軸１０８ｂの羽ばたき角２γ（羽ばたき動作の振幅）とは同じ大きさである。また、右羽軸１０８ａの羽ばたき動作の振幅の中心および左羽軸１０８ｂの羽ばたき動作の振幅の中心それぞれは、Ｘ軸上に存在するものとする。   At this time, the flapping angle 2γ (flapping motion amplitude) of the right wing shaft 108a and the flapping angle 2γ (flapping motion amplitude) of the left wing shaft 108b are the same size. In addition, it is assumed that the center of the amplitude of the flapping motion of the right wing shaft 108a and the center of the amplitude of the flapping motion of the left wing shaft 108b exist on the X axis.

また、打ち下ろしの羽ばたき動作の間においては、左右成分（Ｘ軸方向成分）として、次のような力が羽に作用している。右羽１０７ａには、力−Ｆｘｒまたは力＋Ｆｘｒが作用する。また、左羽１０７ｂには、力＋Ｆｘｌまたは力−Ｆｘｌが作用する。また、羽ばたき動作の所定のタイミングにおいては、右羽１０７ａにより生成される力Ｆと左羽１０７ｂにより生成される力Ｆとが同じ大きさであるとすれば、常にＦｘｒ＝Ｆｘｌの関係が成立する。したがって、Ｘ軸方向においては、右羽１０７ａにより生成される力Ｆと左羽１０７ｂにより生成される力Ｆとは互いに打ち消しあうことになる。   In addition, during the down-swinging operation, the following force acts on the wing as a left / right component (X-axis direction component). Force-Fxr or force + Fxr acts on the right wing 107a. Further, force + Fxl or force -Fxl acts on the left wing 107b. If the force F generated by the right wing 107a and the force F generated by the left wing 107b have the same magnitude at a predetermined timing of the flapping operation, the relationship Fxr = Fxl is always established. . Accordingly, in the X-axis direction, the force F generated by the right wing 107a and the force F generated by the left wing 107b cancel each other.

一方、右回転（右回りの旋回）を行なう場合には、羽ばたき装置１は、図４に示すように、右羽１０７ａの羽ばたく範囲（羽ばたき角２γにより示される範囲）を、反時計まわりにΔγだけずらす。このとき、羽ばたき装置１は、左羽１０７ｂの羽ばたく範囲（羽ばたき角２γにより示される範囲）も、反時計まわりにΔγだけずらす。すなわち、羽ばたき装置１は、ストローク面１０内で、右羽１０７ａの羽ばたき運動の振幅（回動）の中心位置と左羽１０７ｂの羽ばたき運動の振幅（回動）の中心位置とを結ぶ線を、Δγだけ反時計回りに回転させる。   On the other hand, when performing a clockwise rotation (clockwise turn), the flapping device 1 sets the flapping range of the right wing 107a (the range indicated by the flapping angle 2γ) to Δγ counterclockwise as shown in FIG. Just shift. At this time, the flapping apparatus 1 also shifts the flapping range of the left wing 107b (the range indicated by the flapping angle 2γ) by Δγ counterclockwise. That is, the flapping apparatus 1 has a line connecting the center position of the flapping motion amplitude (rotation) of the right wing 107a and the center position of the flapping motion amplitude (rotation) of the left wing 107b within the stroke plane 10. Rotate counterclockwise by Δγ.

それにより、図４に示すように、羽の打ち下ろし時の力Ｆの左右方向成分（Ｘ軸方向成分）は、右羽１０７ａにおいては、−Ｆｘｒ１または＋Ｆｘｒ２である。このとき、左羽１０７ｂに関しては、力Ｆの左右方向成分（Ｘ軸方向成分）は、＋Ｆｘｌ１または−Ｆｘｌ２である。また、所定のタイミングの左右方向成分の力Ｆは互いに同じ大きさである。ただし、図４から分かるように、Ｆｘｒ２＞Ｆｘｌ２、かつＦｘｒ１＜Ｆｘｌ１の関係が成立する。そのため、左右の羽１０７ａ，１０７ｂが流体に及ぼす力は、Ｘ軸に関しては負方向よりも正方向に大きくなる。したがって、右羽軸１０８ａとＳ軸との交点および左羽軸１０８ｂとＳ軸との交点のそれぞれには、前述の流体力の反作用として、Ｘ軸の負方向への力が作用する。ただし、重心Ｇは、Ｙ軸の正の位置（Ｓ軸において正側）にあるため、羽ばたき装置１は、右方向へ回転することになる、すなわち、図４において反時計まわりに回転する。なお、羽ばたき装置１を左旋回させる場合には、図２において、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれの羽ばたく範囲（図２の羽ばたき角２γにより示される範囲）を時計回りにΔγだけずらせばよい。   Thereby, as shown in FIG. 4, the left-right direction component (X-axis direction component) of the force F when the wing is lowered is −Fxr1 or + Fxr2 in the right wing 107a. At this time, regarding the left wing 107b, the left-right direction component (X-axis direction component) of the force F is + Fxl1 or -Fxl2. Further, the forces F of the left and right direction components at a predetermined timing are the same in magnitude. However, as can be seen from FIG. 4, the relationship of Fxr2> Fxl2 and Fxr1 <Fxl1 is established. Therefore, the force exerted on the fluid by the left and right wings 107a and 107b is greater in the positive direction than in the negative direction with respect to the X axis. Therefore, a force in the negative direction of the X-axis acts on each of the intersection of the right wing shaft 108a and the S axis and the intersection of the left wing shaft 108b and the S axis as a reaction of the fluid force described above. However, since the center of gravity G is at the positive position of the Y axis (positive side in the S axis), the flapping apparatus 1 rotates to the right, that is, rotates counterclockwise in FIG. In the case where the flapping device 1 is turned to the left, the flapping range of each of the left and right wings 107a and 107b (the range indicated by the flapping angle 2γ in FIG. 2) in FIG. 2 may be shifted clockwise by Δγ.

また、打ち上げ時には、打ち下ろし時に左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれに加わる力と逆の方向の力が、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれに加わる。つまり、打ち上げ時には、打ち下ろし時に羽ばたき装置１に加えられる回転力とは逆の回転力が、羽ばたき装置１に加えられる。したがって、打ち上げ時と打ち下ろし時とを比較して、ストローク面１０と左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれとの間の交差角(位置関係）が同じである場合には、羽ばたき装置１は左右に旋回できない。   Further, at the time of launch, a force in a direction opposite to the force applied to each of the left and right wings 107a and 107b is applied to each of the left and right wings 107a and 107b. That is, at the time of launch, a rotational force opposite to the rotational force applied to the flapping device 1 at the time of downing is applied to the flapping device 1. Therefore, comparing the time of launch and the time of launch, if the crossing angle (positional relationship) between the stroke surface 10 and the left and right wings 107a and 107b is the same, the flapping device 1 turns left and right. Can not.

そこで、打ち上げ時には、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれがストローク面１０にほぼ平行になるように、左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂそれぞれをひねる。それにより、打ち上げ時には、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆが、打ち下ろし時に左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆよりも小さくなる。その結果、羽ばたき装置１は、打ち下ろし時の左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆを利用して、左右方向のいずれかに旋回することができる。   Therefore, at the time of launch, the left and right wing shafts 108a and 108b are twisted so that the left and right wings 107a and 107b are substantially parallel to the stroke surface 10, respectively. As a result, the force F exerted on the fluid by the left and right wings 107a and 107b is smaller than the force F exerted on the fluid by the left and right wings 107a and 107b when lowered. As a result, the flapping apparatus 1 can turn in either the left or right direction by using the force F exerted on the fluid by each of the left and right wings 107a and 107b at the time of downing.

つまり、羽ばたき装置１の左右方向の旋回に関しては、次のようなことが言える。   That is, the following can be said with respect to the left-right turn of the flapping apparatus 1.

左右の羽１０７ａ，１０７ｂが流体に及ぼす力の鉛直成分の羽ばたき動作の１周期での平均値が、羽ばたき装置１の重力よりも大きい。また、左右の羽１０７ａ，１０７ｂが流体に及ぼす力の水平方向成分の羽ばたき動作の１周期での平均値については、左右の羽１０７ａ，１０７ｂのうちのいずれか一方の羽が流体に及ぼす力の水平成分が、他方の羽が流体に及ぼす力の水平成分よりも大きい。   The average value of the flapping action of the vertical component of the force exerted on the fluid by the left and right wings 107 a and 107 b in one cycle is larger than the gravity of the flapping apparatus 1. Further, regarding the average value of the flapping operation of the horizontal component of the force exerted on the fluid by the left and right wings 107a and 107b in one cycle, the force exerted on the fluid by one of the left and right wings 107a and 107b The horizontal component is greater than the horizontal component of the force that the other wing exerts on the fluid.

たとえば、打ち上げ時に、駆動部は、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの主表面それぞれとストローク面１０とが平行になるように、羽軸１０８ａ，１０８ｂそれぞれを自転させる。それにより、打ち上げ時に、力Ｆの左右方向成分が０になる。その結果、打ち上げ時の左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作が左右方向の旋回に及ぼす悪影響を小さくすることができる。   For example, at the time of launch, the driving unit rotates each of the wing shafts 108a and 108b so that the main surfaces of the left and right wings 107a and 107b and the stroke surface 10 are parallel to each other. Thereby, the left-right direction component of the force F becomes zero at the time of launch. As a result, it is possible to reduce the adverse effect of the flapping action of the left and right wings 107a and 107b on the turning in the left-right direction during launch.

上記説明では、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）は、ホバリング時および左右方向の旋回時のいずれにおいても、角度２γで表される。このとき、羽ばたき装置１が左右方向へ旋回するためには、左羽１０７ａの羽ばたき動作により発生する力Ｆの水平成分と右羽１０７ｂの羽ばたき動作により発生する力Ｆの水平成分とは異なっていればよい。そのため、たとえば、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）のうち一方だけが２γ±Δγとなるように、駆動部が羽軸１０８ａ，１０８ｂを制御する場合においても、羽ばたき装置１は左右方向の旋回をすることができる。   In the above description, the amplitude (flapping angle) of the flapping motion of the left and right wings 107a and 107b is represented by an angle 2γ both when hovering and when turning left and right. At this time, in order for the flapping apparatus 1 to turn left and right, the horizontal component of the force F generated by the flapping operation of the left wing 107a and the horizontal component of the force F generated by the flapping operation of the right wing 107b should be different. That's fine. Therefore, for example, even when the drive unit controls the wing shafts 108a and 108b so that only one of the amplitudes (flapping angles) of the flapping motion of the left and right wings 107a and 107b is 2γ ± Δγ, the flapping device 1 Can turn left and right.

図５〜図８は、図３の状態において、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）だけが変化したときの左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂの状態を示す図である。図５および図６には、羽ばたき装置１が右旋回する場合が示され、図７および図８には、羽ばたき装置１が左旋回する場合が示されている。   5 to 8 are diagrams showing the states of the left and right wing shafts 108a and 108b when only the amplitude (flapping angle) of the flapping motion of the right wing 107a changes in the state of FIG. 5 and 6 show a case where the flapping device 1 turns right, and FIGS. 7 and 8 show a case where the flapping device 1 turns left.

本実施の形態の羽ばたき装置１においては、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）および左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）のうちいずれか一方のみを変化させる例が示されている。しかしながら、羽ばたき装置１は、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）の変化の度合と左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）の変化の度合とが異なるものであってもよい。   In the flapping apparatus 1 of the present embodiment, an example is shown in which only one of the amplitude of the flapping motion of the right wing 107a (flapping angle) and the amplitude of the flapping motion of the left wing 107b (flapping angle) is changed. Yes. However, the flapping apparatus 1 may have a different degree of change in the flapping motion amplitude (flapping angle) of the right wing 107a and a different degree of flapping motion amplitude (flapping angle) of the left wing 107b.

このように、羽ばたき装置１を回転運動（左右旋回）をさせる制御方法としては、（１）左右の羽の羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）を異ならせるように制御する手法、（２）羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）は同じであっても、羽ばたき角の範囲、すなわち羽ばたきの動作の振幅の中心を左右の羽で非対称にする手法、という２つの手法が考えられる。ただし、（１）の手法の場合には、浮上力に関係する鉛直方向成分が、左右の羽で互いに異なってしまう。そのため、回転運動（左右旋回）を長く続ける必要がある場合には、（２）の手法を用いることが望ましい。   As described above, as a control method for causing the flapping apparatus 1 to rotate (turn left and right), (1) a method of controlling the left and right wing flapping motions (flapping angles) to be different, and (2) flapping motion. Even if the amplitude (flapping angle) is the same, two methods can be considered: a method in which the center of the flapping angle range, that is, the center of the flapping motion amplitude is asymmetric between the left and right wings. However, in the case of the method (1), the vertical components related to the levitation force are different between the left and right wings. Therefore, when it is necessary to continue the rotational motion (left and right turn) for a long time, it is desirable to use the method (2).

ここで、前述の本実施の形態の羽ばたき装置１の具体例を検討する。   Here, a specific example of the flapping apparatus 1 of the above-described embodiment will be considered.

スローク面１００の角θ＝９０°であると仮定する。前述のように、打ち下ろし時の右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれと、ストローク面１０とがなす角は９０°である。また、打ち上げ時の右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれと、ストローク面１０とがなす角は０°である。また、前述の力Ｆの鉛直方向の時間平均値（浮上力）Ｆ⊥は、空気密度をρ、羽の幅をｗ、羽の長さをｌ、羽ばたき周波数をｆ、羽ばたき角を２γとした場合、次式で表される。   Assume that the angle θ of the slow surface 100 is 90 °. As described above, the angle formed by each of the right wing 107a and the left wing 107b and the stroke surface 10 during the down stroke is 90 °. Further, the angle formed between the right wing 107a and the left wing 107b at the time of launch and the stroke surface 10 is 0 °. The vertical time average value (levitation force) F⊥ of the force F described above is ρ, the air density is ρ, the wing width is w, the wing length is l, the flapping frequency is f, and the flapping angle is 2γ. In this case, it is expressed by the following formula.

Ｆ⊥＝（π３／１２）ρ・ｗ・ｆ２・ｌ３・γ２・（３＋ｃｏｓγ）
一方、力Ｆの水平方向成分のうち、図３〜図８に示された羽ばたき位相τ＝０〜π／２までの部分の時間平均値Ｆ〃は、その部分の羽ばたき角をγとした場合、
Ｆ〃＝（２π２／９）・ρ・ｗ・ｆ２・ｌ３・γ２・ｓinγ
で表される。 F⊥ = (π 3/12) ρ · w · f 2 · l 3 · γ 2 · (3 + cosγ)
On the other hand, of the horizontal component of the force F, the time average value F〃 of the portion up to the flapping phase τ = 0 to π / 2 shown in FIGS. ,
F〃 = (2π 2/9) · ρ · w · f 2 · l 3 · γ 2 · sinγ
It is represented by

図４に示す角γが５０°，６０°，７０°それぞれである場合において、Δγを変化させた時のＦ〃の変化態様を図９に示す。図９において、縦軸のＦ〃は、ρ・ｗ・ｆ２・ｌ３で正規化されている。図９から分かるように、力Ｆ〃はΔγにほぼ比例する。そのため、羽ばたき装置１の回転（左右の旋回）の角加速度もΔγにほぼ比例する。したがって、前述のような本実施の形態の羽ばたき装置１の左または右への旋回手法によれば、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの制御が容易になる。 FIG. 9 shows how F〃 changes when Δγ is changed when the angles γ shown in FIG. 4 are 50 °, 60 °, and 70 °, respectively. In FIG. 9, the vertical axis F〃 is normalized by ρ · w · f 2 · l 3 . As can be seen from FIG. 9, the force F〃 is substantially proportional to Δγ. Therefore, the angular acceleration of rotation (left and right turn) of the flapping apparatus 1 is also substantially proportional to Δγ. Therefore, according to the method of turning left or right of the flapping apparatus 1 of the present embodiment as described above, control of the left and right wings 107a and 107b is facilitated.

実際には、１気圧、２５℃での空気の密度ρ＝１.１８ｍｇ／ｃｍ３、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれについて、幅ｗ＝１ｃｍ、長さｌ＝３ｃｍ、羽ばたき周波数ｆ＝４０Ｈｚ、羽ばたき角γ＝６０°であると仮定とすると、Ｆ⊥＝５．０６ｇ重となっている。この場合、羽ばたき装置１は、その重量が約５ｇ程度であれば、ホバリングすることができる。 Actually, the air density at 1 atm and 25 ° C. = 1.18 mg / cm 3 , and the left and right wings 107a and 107b have a width w = 1 cm, a length l = 3 cm, a flapping frequency f = 40 Hz, flapping Assuming that the angle γ = 60 °, F⊥ = 5.06 g. In this case, the flapping apparatus 1 can hover if its weight is about 5 g.

このとき、Δγ＝２０°とすれば、Ｆ〃＝２．８３ｇ重となる。また、重心の座標 Ｙｇ＝０．５ｃｍ、羽ばたき装置１の回転モーメントＩ＝０．５ｇ・ｃｍ２とすれば、回転の角加速度はβ＝２７７０ｒａｄ／ｓ２となる。このことから、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作それぞれは、回転角が９０°に達するまで加速し、その後、減速すると仮定した場合、羽ばたき装置１が左または右へ回転することにより、その姿勢を１８０°反転させるために要する時間は６８ｍｓである。つまり、羽ばたき装置１は、非常に短い時間（約３周期の羽ばたき動作）で、１８０°旋回することが可能である。 At this time, if Δγ = 20 °, F〃 = 2.83 g. If the coordinates of the center of gravity are Yg = 0.5 cm and the rotational moment I of the flapping apparatus 1 is 0.5 g · cm 2 , the angular acceleration of rotation is β = 2770 rad / s 2 . From this, each of the flapping motions of the left and right wings 107a and 107b is accelerated until the rotation angle reaches 90 ° and then decelerated. The time required to invert 180 ° is 68 ms. That is, the flapping apparatus 1 can turn 180 ° in a very short time (flapping operation of about three cycles).

次に、図１０〜図１７を用いて、図１〜９を用いて説明した前述の本発明の羽ばたき装置を実現することが可能な実施の形態の羽ばたき装置１の具体的構造を説明する。   Next, the specific structure of the flapping apparatus 1 of the embodiment capable of realizing the flapping apparatus of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 9 will be described with reference to FIGS.

（主要な構成）
次に、実施の形態１の羽ばたき装置の主要な構成について説明する。図１０に示すように、本体５００の上部に、右アクチュエータ２１と左アクチュエータ２２とが固定されている。右アクチュエータ２１には右羽軸１０８ａが取付けられている。また、左アクチュエータ２２には左羽軸１０８ｂが取付けられている。 (Main composition)
Next, the main configuration of the flapping apparatus of the first embodiment will be described. As shown in FIG. 10, the right actuator 21 and the left actuator 22 are fixed to the upper part of the main body 500. A right wing shaft 108 a is attached to the right actuator 21. A left wing shaft 108 b is attached to the left actuator 22.

アクチュエータ２１は、右羽軸１０８ａを支点Ａ１を略中心として３自由度をもって回転させることができる。アクチュエータ２２は、左羽軸１０８ｂを支点Ａ２を略中心として３自由度をもって回転させることができる。アクチュエータ２１および２２それぞれの回転は、本体部５００に搭載された制御装置４によって制御される。   The actuator 21 can rotate the right wing shaft 108a with three degrees of freedom around the fulcrum A1 as a center. The actuator 22 can rotate the left wing shaft 108b with three degrees of freedom about the fulcrum A2. The rotation of each of the actuators 21 and 22 is controlled by the control device 4 mounted on the main body unit 500.

また、本体部５００には、加速度センサ５１および角加速度センサ５２が搭載されている。加速度センサ５１および角加速度センサ５２それぞれの検出結果は制御装置４に送られる。制御装置４では、加速度センサ５１および角加速度センサ５２ぞれぞれから送られてくる情報によって羽ばたき装置１の浮上の状態を検知する。制御装置４では、飛行目的位置および羽ばたき装置１の姿勢により左右アクチュエータ２１,２２の駆動態様が決定される。   The main body 500 is equipped with an acceleration sensor 51 and an angular acceleration sensor 52. The detection results of the acceleration sensor 51 and the angular acceleration sensor 52 are sent to the control device 4. In the control device 4, the flying state of the flapping device 1 is detected based on information sent from the acceleration sensor 51 and the angular acceleration sensor 52. In the control device 4, the driving mode of the left and right actuators 21 and 22 is determined by the flight target position and the posture of the flapping device 1.

なお、左右アクチュエータ２１,２２、制御装置４、加速度センサ５１、および角加速度センサ５２は、電源６に供給される電流によって駆動される。   The left and right actuators 21 and 22, the control device 4, the acceleration sensor 51, and the angular acceleration sensor 52 are driven by a current supplied to the power supply 6.

（アクチュエータ）
アクチュエータ２１,２２としては、起動トルクが大きいこと、往復運動を確実に実現できること、および構造が簡単なことなどの理由から圧電素子（ピエゾ）を用いたものが望ましい。このようなアクチュエータは、超音波モータと呼ばれ、圧電素子の振動により発生した超音波進行波によって駆動する。 (Actuator)
As the actuators 21 and 22, it is desirable to use a piezoelectric element (piezo) for reasons such as a large starting torque, a reliable reciprocating motion, and a simple structure. Such an actuator is called an ultrasonic motor, and is driven by an ultrasonic traveling wave generated by vibration of a piezoelectric element.

図１１および図１２は、市販の超音波モータ２３を示す。図１１および図１２に示すように、アルミニウムの円盤２３１の下面には圧電素子２３０が貼り付けられている。また、円盤２３１の上面には複数の突起２３２〜２３７が設けられている。各突起２３２〜２３７は円盤２３１の中心を重心とする正六角形の頂点の位置にそれぞれ配置されている。   11 and 12 show a commercially available ultrasonic motor 23. As shown in FIGS. 11 and 12, a piezoelectric element 230 is attached to the lower surface of the aluminum disk 231. A plurality of protrusions 232 to 237 are provided on the upper surface of the disk 231. Each of the protrusions 232 to 237 is arranged at the position of the apex of a regular hexagon having the center of the disk 231 as the center of gravity.

圧電素子２３０の下面には、円周方向に１２分割された電極２３８が設けられている。１２分割された電極２３８は、１つおきに電気的に短絡している。したがって、１２分割された電極２３８は、２つの電極部からなり、、図１３に示すように、圧電素子２３０にはハッチングのある電極部分とハッチングのない電極部分とで位相の異なる電圧が印加される。   On the lower surface of the piezoelectric element 230, an electrode 238 divided into 12 in the circumferential direction is provided. Every other electrode 238 divided into 12 is electrically short-circuited. Therefore, the electrode 238 divided into 12 parts is composed of two electrode parts, and as shown in FIG. 13, voltages having different phases are applied to the piezoelectric element 230 between the electrode part with hatching and the electrode part without hatching. The

電極２３８の２つの電極部に印加する電圧を時間的に変化させることにより、円盤２３１上には進行波が発生する。それにより、突起２３２〜２３７の先端部分が楕円運動を行なう。これにより、円形のロータ２３９をその円の中心まわりに回転させることができる。超音波モータのステータ２１０は、円盤２３１、圧電素子２３０、突起２３２〜２３７、および電極２３８からなる。   A traveling wave is generated on the disk 231 by temporally changing the voltage applied to the two electrode portions of the electrode 238. Thereby, the tip portions of the protrusions 232 to 237 perform an elliptical motion. Thereby, the circular rotor 239 can be rotated around the center of the circle. The stator 210 of the ultrasonic motor includes a disk 231, a piezoelectric element 230, protrusions 232 to 237, and an electrode 238.

この超音波モータ２３は、トルクが１．０ｇｆ・ｃｍ、無負荷回転速度が８００ｒｐｍ、最大消費電流が２０ｍＡである。円盤２３１の直径は８ｍｍである。突起２３２〜２３７が配置されている間隔は２ｍｍである。円盤２３１の厚さは０．４ｍｍである。突起２３２〜２３７の高さは約０．４ｍｍである。圧電素子２３０の駆動周波数は３４１ｋＨｚである。   The ultrasonic motor 23 has a torque of 1.0 gf · cm, a no-load rotation speed of 800 rpm, and a maximum current consumption of 20 mA. The diameter of the disk 231 is 8 mm. The interval at which the protrusions 232 to 237 are arranged is 2 mm. The thickness of the disk 231 is 0.4 mm. The height of the protrusions 232 to 237 is about 0.4 mm. The driving frequency of the piezoelectric element 230 is 341 kHz.

この羽ばたき装置１では、この超音波モータを用いてアクチュエータを構成する。図１４および図１５に示すように、たとえば右アクチュエータ２１では、ステータ２１０とベアリング２１１とによって球殻状のロータ２１９が挟み込まれて保持されている。なお、ロータ２１９に接触しているステータ２１０の表面部分は、ロータ２１９の表面に対応するような形状となっている。   In this flapping apparatus 1, an actuator is configured using this ultrasonic motor. As shown in FIGS. 14 and 15, for example, in the right actuator 21, a spherical shell-shaped rotor 219 is sandwiched and held by a stator 210 and a bearing 211. The surface portion of the stator 210 that is in contact with the rotor 219 has a shape corresponding to the surface of the rotor 219.

ロータ２１９は、外径３．１ｍｍ、かつ内径２．９ｍｍの球殻である。ロータ２１９の表面に右羽軸１０８ａが取付けられている。ステータ２１０の突起が設けられた面に向かって時計回りにロータ２１９が回転すると、右羽軸１０８ａは図１４および図１５に示すθの方向に移動する。なお、ステータ２１０の突起が設けられた面に向かって、時計回りの回転を正回転とし、反時計回りの回転を逆回転とする。   The rotor 219 is a spherical shell having an outer diameter of 3.1 mm and an inner diameter of 2.9 mm. A right wing shaft 108 a is attached to the surface of the rotor 219. When the rotor 219 rotates clockwise toward the surface on which the protrusion of the stator 210 is provided, the right wing shaft 108a moves in the direction of θ shown in FIGS. Note that clockwise rotation is defined as forward rotation and counterclockwise rotation is defined as reverse rotation toward the surface of the stator 210 where the protrusions are provided.

また、図１４および図１５に示すように、このロータ２１９を３自由度で駆動させるために、上部補助ステータ２１２、下部補助ステータ２１３、およびベアリング２１４，２１５が、ロータ２１９の周囲に設けられている。上部補助ステータ２１２および下部補助ステータ２１３のそれぞれの大きさは、ステータ２１０の大きさの約０．７倍である。   14 and 15, an upper auxiliary stator 212, a lower auxiliary stator 213, and bearings 214 and 215 are provided around the rotor 219 in order to drive the rotor 219 with three degrees of freedom. Yes. Each size of the upper auxiliary stator 212 and the lower auxiliary stator 213 is about 0.7 times the size of the stator 210.

ステータ２１０、２１２、および２１３は、ロータ２１９を挟んでそれぞれ直交するようには設けられていない。ステータ２１０、２１２、および２１３それぞれは、独立してロータ２１９を回転させることができる。これにより、ステータ２１０、上部補助ステータ２１２、および下部補助ステータ２１３それぞれの回転運動を組合わせることによって、ロータ２１９は、３自由度の回転が可能となる。   The stators 210, 212, and 213 are not provided so as to be orthogonal to each other with the rotor 219 interposed therebetween. Each of the stators 210, 212, and 213 can rotate the rotor 219 independently. Thus, by combining the rotational motions of the stator 210, the upper auxiliary stator 212, and the lower auxiliary stator 213, the rotor 219 can rotate with three degrees of freedom.

たとえば、上部補助ステータ２１２によってロータ２１９に対して負方向の回転力が与えられ、かつ、下部補助ステータ２１３によってロータ２１９に対して負方向の回転力が与えられれば、ロータ２１９はβ方向に回転する。また、上部補助ステータ２１２によってロータ２１９に対して負方向の回転が与えられ、かつ、下部補助ステータ２１３によってロータ２１９に対して正方向に回転力が与えられれば、ロータ２１９はα方向に回転する。   For example, if the upper auxiliary stator 212 applies a negative rotational force to the rotor 219 and the lower auxiliary stator 213 applies a negative rotational force to the rotor 219, the rotor 219 rotates in the β direction. To do. In addition, if the upper auxiliary stator 212 applies a negative rotation to the rotor 219 and the lower auxiliary stator 213 applies a rotational force to the rotor 219 in the positive direction, the rotor 219 rotates in the α direction. .

実際には、回転中心軸の異なる２つの回転運動をロータ２１９に行なわせれば、ロータ２１９とステータ２１０、上部補助ステータ２１２、および下部補助ステータ２１３それぞれとの摩擦力に起因して超音波モータの効率を低下させることになる。そのため、上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３とが、ごく短時間の周期で時間分割して交互に動作する。したがって、ステータ２１２、２１３、および２１４のうち動作していないステータの突起をロータ２１９に接触させないことが可能になる。それにより、ロータとステータとの摩擦力に起因した超音波モータの効率の低下が防止される。   Actually, if the rotor 219 performs two rotational movements with different rotation center axes, the ultrasonic motor is caused by frictional forces between the rotor 219 and the stator 210, the upper auxiliary stator 212, and the lower auxiliary stator 213. Efficiency will be reduced. Therefore, the upper auxiliary stator 212 and the lower auxiliary stator 213 operate alternately in a time-division manner with a very short period. Accordingly, it is possible to prevent the stator 219, 213, and 214 from contacting the rotor 219 with the stator protrusion that is not operating. Thereby, a decrease in the efficiency of the ultrasonic motor due to the frictional force between the rotor and the stator is prevented.

動作していないステータの電極すべてに、圧電素子を収縮させるような電圧を印加することによって、付加的な要素を設けることなく、超音波モータの効率の低下を防止することができる。   By applying a voltage that causes the piezoelectric element to contract to all the electrodes of the stator that is not operating, it is possible to prevent a decrease in the efficiency of the ultrasonic motor without providing additional elements.

また、圧電素子の駆動周波数は３００ｋＨｚ以上である。一方、羽ばたき装置１の羽ばたき周波数はせいぜい１００ｋＨｚである。したがって、圧電素子の駆動周波数は、羽ばたき装置１の羽ばたき周波数に比べて十分に大きい。そのため、２つのアクチュエータそれぞれが時間分割して交互に動作しても、実質上滑らかな動きが右羽軸１０８ａに与えられる。   The driving frequency of the piezoelectric element is 300 kHz or more. On the other hand, the flapping frequency of the flapping apparatus 1 is at most 100 kHz. Therefore, the driving frequency of the piezoelectric element is sufficiently higher than the flapping frequency of the flapping device 1. Therefore, even if each of the two actuators operates alternately in time division, a substantially smooth movement is given to the right wing shaft 108a.

上述のような、アクチュエータ２１，２２を用いて、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき装置１の羽ばたき動作を実現することができる。   Using the actuators 21 and 22 as described above, the flapping operation of the flapping apparatus 1 described with reference to FIGS. 1 to 9 can be realized.

（羽および羽ばたき動作）
前述の羽ばたき装置１の場合、左アクチュエータ２２のロータ２２９は略球状であり、左の羽軸１０８ｂの延長線上にこのロータ２２０の球心が位置するように左の羽１０７ｂが配置されている。左アクチュエータ２２に対する力学的作用点であるとともに羽軸１０８ａの回転運動の支点である点Ａ２はこの球心に一致している。このことは、右アクチュエータ２１についても同様である。 (Wings and flapping motion)
In the case of the flapping apparatus 1 described above, the rotor 229 of the left actuator 22 is substantially spherical, and the left wing 107b is arranged so that the spherical center of the rotor 220 is positioned on the extension line of the left wing shaft 108b. A point A2 that is a mechanical action point for the left actuator 22 and a fulcrum for the rotational movement of the blade shaft 108a coincides with this spherical center. The same applies to the right actuator 21.

（他の例の羽ばたき装置）
次に、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき動作とは異なる羽ばたき動作を、図１０〜図１５を用いて説明したアクチュエータ２１，２２により左右の羽行１０７ａ，１０７ｂに行なわせることができることを説明する。 (Another example flapping device)
Next, the flapping motion different from the flapping motion described with reference to FIGS. 1 to 9 can be performed on the left and right wings 107a and 107b by the actuators 21 and 22 described with reference to FIGS. Will be explained.

前述のような構造のアクチュエータを動作させて、右羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれを、図１６に示すように前後方向（打ち下ろし方向および打ち上げ方向：図１のＹ軸方向）に往復運動させる。この往復運動も、図１に示すストローク面１０内で行なわれる。   By operating the actuator having the above-described structure, the right wing shaft 108a and the right wing shaft 108b reciprocate in the front-rear direction (downward direction and upward direction: Y-axis direction in FIG. 1) as shown in FIG. Let This reciprocating motion is also performed in the stroke surface 10 shown in FIG.

図１〜図９で説明した羽ばたき装置１の左右の羽１０７ａ，１０７ｂは弾性変形しなものと仮定されていた。しかしながら、この例では、図１６に示すように、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の部位のうち右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）に対して垂直な方向の先端部の運動が、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）の運動に比べて、遅れるように、左右の羽１０７ａ（１０７ｂ）が弾性変形するものとする。   It was assumed that the left and right wings 107a and 107b of the flapping apparatus 1 described with reference to FIGS. 1 to 9 are not elastically deformed. However, in this example, as shown in FIG. 16, the movement of the tip in the direction perpendicular to the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) in the portion of the right wing 107a (left wing 107b) It is assumed that the left and right wings 107a (107b) are elastically deformed so as to be delayed from the movement of the shaft 108a (left wing shaft 108b).

（他の例の羽の構造）
右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）に直接固定されており、その厚さがほぼ均一である平板からなっている。この右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）を製造するために、まず、長軸の長さが約４０ｍｍ、かつ、短軸の長さが約１０ｍｍの楕円形の平板を用意する。楕円形の長軸に対して平行に長軸から約２．５ｍｍの位置に引かれたラインと、楕円形の短軸に対して平行に短軸から約８ｍｍの位置に引かれたラインとを切断する。この切断により生じた４つの個片のうち最も大きい個片を羽４として用いる。 (Another example of wing structure)
The right wing 107a (left wing 107b) is directly fixed to the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b), and is formed of a flat plate having a substantially uniform thickness. In order to manufacture the right wing 107a (left wing 107b), first, an elliptical flat plate having a major axis of about 40 mm and a minor axis of about 10 mm is prepared. A line drawn parallel to the major axis of the ellipse at a position about 2.5 mm from the major axis and a line drawn parallel to the minor axis of the ellipse and about 8 mm from the minor axis Disconnect. The largest piece among the four pieces produced by this cutting is used as the wing 4.

また、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、軽量な硬質の樹脂から構成されている。さらに、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、レーザカッティングによって成形される。そのため、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の輪郭部には縁取りが形成されている。この縁取りにより、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の強度が増している。   The right wing 107a (left wing 107b) is made of a light, hard resin. Further, the right wing 107a (left wing 107b) is formed by laser cutting. For this reason, the right wing 107a (left wing 107b) has an edge formed on the outline. This edging increases the strength of the right wing 107a (left wing 107b).

前述のような右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の弾性変形により、図１７に示すように、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）それぞれの表面に沿う方向に、流体の流れが生じる。なお、図１７では、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、弾性変形するため、羽ばたき動作の１回の平均では、打ち上げ方向および打ち下ろし方向それぞれに対してほぼ垂直な方向に流体力が発生する。   The elastic deformation of the right wing 107a (left wing 107b) as described above causes a fluid flow in the direction along the surface of each of the right wing 107a (left wing 107b) as shown in FIG. In FIG. 17, since the right wing 107a (left wing 107b) is elastically deformed, a fluid force is generated in directions substantially perpendicular to the launch direction and the down direction in one average flapping operation. .

この流体の力を利用するために、図１８に示すように、３自由度のアクチュエータ２１，２２の機能を用いて、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を図１のストローク面１０内で面内方向に往復運動（回動角αで示される運動）させながら、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向を回転中心軸として、回動させる（回動角βで示される運動）。   In order to utilize the force of the fluid, as shown in FIG. 18, the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) is moved within the stroke plane 10 of FIG. 1 using the functions of the actuators 21 and 22 having three degrees of freedom. While reciprocating in the in-plane direction (movement indicated by the rotation angle α), the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) is used as the rotation center axis in the direction in which the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) extends. Rotate (movement indicated by the rotation angle β).

それにより、図１６に示すように、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を水平方向に往復運動させる場合には、右羽１０７ａの表面（左羽１０７ｂの表面）に沿って生じる流体の流れにより、羽ばたき装置１に対して鉛直方向に浮上力が生じる。この浮上力が羽ばたき装置１の重力よりも大きければ、羽ばたき装置１は浮上する。   Accordingly, as shown in FIG. 16, when the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) is reciprocated in the horizontal direction, the flow of fluid generated along the surface of the right wing 107a (the surface of the left wing 107b). Thus, a levitation force is generated in the vertical direction with respect to the flapping apparatus 1. If this levitation force is greater than the gravity of the flapping device 1, the flapping device 1 will float.

また、図１６に矢印で示す打ち上げ方向および打ち下ろしの方向は、地面に垂直な方向を意味するものではない。右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）を右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向を回転中心軸として回動させながら、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を往復運動（ストローク面１０内の運動）させるときの、前後方向の右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）の動きを打ち上げおよび打ち下ろしと名づけている。   Further, the launch direction and the down direction shown by arrows in FIG. 16 do not mean a direction perpendicular to the ground. The right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) is reciprocated (within the stroke plane 10) while the right wing shaft 107a (left wing shaft 108b) is rotated about the direction in which the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) extends as a rotation center axis. The movement of the right wing shaft 108a (the left wing shaft 108b) in the front-rear direction when the movement is made is called up and down.

要するに、図１６に示す打ち上げ方向および打ち下ろしの方向は、図１のストローク面１０内の往復運動の方向を意味する。また、ホバリングするときには、図１のストローク面１０は、ＸＹ平面に一致する。すなわち、ストローク角θは、０°である。   In short, the launch direction and the down direction shown in FIG. 16 mean the direction of reciprocation within the stroke surface 10 of FIG. When hovering, the stroke surface 10 in FIG. 1 coincides with the XY plane. That is, the stroke angle θ is 0 °.

なお、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき装置１は、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の弾性変形が微小であるものと仮定していたため、打ち下ろし時と打ち上げ時とで、羽ばたき動作を異ならせる必要があった。しかしながら、図１６〜図１８に示す羽ばたき装置１は、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）が、その付根部の運動に比較して、その右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向の先端部の運動が遅れるように、弾性変形する。したがって、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向に沿って流体力が発生する。その結果、打ち下ろし時と打ち上げ時とで、羽ばたき動作を異ならせる必要はない。   Note that the flapping apparatus 1 described with reference to FIGS. 1 to 9 assumes that the elastic deformation of the right wing 107a (left wing 107b) is very small, and thus flutters when it is lowered and raised. Had to be different. However, in the flapping apparatus 1 shown in FIGS. 16 to 18, the right wing 107 a (left wing 107 b) has a tip extending in the direction in which the right wing shaft 108 a (left wing shaft 108 b) extends compared to the movement of the root portion. Elastically deforms so that the movement of the part is delayed. Accordingly, a fluid force is generated along the direction in which the right wing shaft 108a (left wing shaft 108b) extends. As a result, it is not necessary to make the flapping motion different between the downstroke and the launch.

上記のような図１６〜図１８に示した羽ばたき装置１においても、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき装置１と同様に、本体部５００が左旋回または右旋回させるために、アクチュエータ２１，２２が、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅の大きさとを異ならせてもよい。なお、羽ばたき動作の振幅は、図２では羽ばたき角２γで示され、図１８では回動角２αで示されている。   Also in the flapping apparatus 1 shown in FIGS. 16 to 18 as described above, in the same manner as the flapping apparatus 1 described with reference to FIGS. 21 and 22 may vary the amplitude of the flapping motion of the right wing 107a and the amplitude of the flapping motion of the left wing 107b. Note that the amplitude of the flapping motion is indicated by a flapping angle 2γ in FIG. 2 and by a rotation angle 2α in FIG.

また、本体部５００が左旋回または右旋回させるために、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅の中心位置と左羽部１０７ｂの羽ばたき動作の振幅の中心位置とを異ならせてもよい。   Further, in order for the main body 500 to turn left or right, the center position of the swing motion of the right wing 107a may be different from the center position of the swing motion of the left wing portion 107b.

また、アクチュエータ２１，２２が、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅の大きさとがほぼ同一になるように、右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれに羽ばたき動作を行なわせてもよい。これによっても、本実施の形態の羽ばたき装置１は、本体部５００を左旋回または右旋回させることができる。   Further, the actuators 21 and 22 perform the flapping operation on the right wing 107a and the left wing 107b so that the amplitude of the flapping motion of the right wing 107a and the amplitude of the flapping motion of the left wing 107b are substantially the same. You may do it. Also by this, the flapping apparatus 1 of the present embodiment can turn the main body 500 leftward or rightward.

前述の場合に、本実施の形態の羽ばたき装置１は、アクチュエータ２１，２２が、右羽１０７ａの羽ばたき動作の周波数と左羽１０７ｂの羽ばたき動作の周波数とがほぼ同一であることが望ましい。これによれば、羽ばたき装置１の横揺れを防止することができる。   In the above-described case, in the flapping apparatus 1 according to the present embodiment, it is desirable that the actuators 21 and 22 have substantially the same flapping frequency of the right wing 107a and the flapping frequency of the left wing 107b. According to this, the roll of the flapping apparatus 1 can be prevented.

また、本実施の形態の羽ばたき装置１は、本体部５００が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ２１，２２が、一旦羽ばたき装置がホバリング状態になる羽ばたき動作を右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれにさせる。すなわち、図２を用いて説明したように、アクチュエータ２１，２２は、右羽１０７ａの羽ばたき動作（羽ばたき角）および左羽１０７ｂの羽ばたき動作（羽ばたき角）をＳ軸に対して対称にする。その後、アクチュエータ２１，２２は、左旋回または右旋回のための羽ばたき動作を右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれに開始させる。すなわち、図４〜図６を用いて説明したように、アクチュエータ２１，２２は、右羽１０７ａの羽ばたき動作（羽ばたき角）と左羽１０７ｂの羽ばたき動作（羽ばたき角）とをＳ軸に対して非対称にする。これによれば、羽ばたき装置１は、安定して左または右に旋回することができる。   Further, in the flapping device 1 of the present embodiment, when the main body 500 turns left or right, the actuators 21 and 22 perform flapping operation once the flapping device is in the hovering state. 107b. That is, as described with reference to FIG. 2, the actuators 21 and 22 make the flapping motion (flapping angle) of the right wing 107a and the flapping motion (flapping angle) of the left wing 107b symmetrical with respect to the S axis. Thereafter, the actuators 21 and 22 cause the right wing 107a and the left wing 107b to start flapping operations for left turn or right turn, respectively. That is, as described with reference to FIGS. 4 to 6, the actuators 21 and 22 asymmetrically swing the right wing 107 a (flapping angle) and the left wing 107 b (flapping angle) with respect to the S axis. To. According to this, the flapping apparatus 1 can turn left or right stably.

（実施の形態２）
次に、本発明の羽ばたき装置を実現するための実施の形態２に羽ばたき装置について説明する。実施の形態１では、ストローク面１０の本体５００に対する位置関係が変更可能である羽ばたき装置を説明した。本実施の形態では、ストローク面１０の本体５００に対する位置関係が固定された羽ばたき装置を説明する。 (Embodiment 2)
Next, a flapping apparatus according to a second embodiment for realizing the flapping apparatus of the present invention will be described. In the first embodiment, the flapping apparatus in which the positional relationship of the stroke surface 10 with respect to the main body 500 can be changed has been described. In the present embodiment, a flapping apparatus in which the positional relationship between the stroke surface 10 and the main body 500 is fixed will be described.

本実施の形態の羽ばたき装置では、前羽軸１０３が実施の形態１で説明したストローク面１０内を往復運動するものとする。   In the flapping apparatus of the present embodiment, it is assumed that the front wing shaft 103 reciprocates within the stroke surface 10 described in the first embodiment.

図１９は、本実施の形態の左および右の羽部それぞれに２本の羽軸が設けられた羽ばたき装置を示す図である。図１９（ａ）においては、羽ばたき装置の前方正面部分が示され、図１９（ｂ）では、羽ばたき装置の前方正面に向かって左側面部分が示されている。   FIG. 19 is a diagram showing a flapping apparatus in which two wing shafts are provided on each of the left and right wing portions of the present embodiment. In FIG. 19A, the front front part of the flapping apparatus is shown, and in FIG. 19B, the left side part is shown toward the front front of the flapping apparatus.

なお、図１９では羽ばたき装置の左羽しか示されていないが、実際には、胴体部１０５の中心軸８０２を挟んで左右対称に右羽も形成されている。また、説明を簡単にするため、胴体部１０５が延びる方向に沿った軸（胴体軸８０１）は水平面内にあり、中心軸８０２は鉛直方向に延びているものとする。   In FIG. 19, only the left wing of the flapping device is shown, but actually, the right wing is also formed symmetrically with respect to the central axis 802 of the body portion 105. For the sake of simplicity, it is assumed that an axis (body axis 801) along the direction in which the body portion 105 extends is in the horizontal plane, and the center axis 802 extends in the vertical direction.

図１９に示すように、羽ばたき装置の胴体部１０５には、前羽軸１０３および後羽軸１０４と、その前羽軸１０３と後羽軸１０４との間を渡すように設けられた羽の膜１０６とを有する羽（左羽）が取付けられている。また、胴体部１０５には、前羽軸１０３を駆動するための回転型アクチュエータ１０１と後羽軸１０４を駆動するための回転型アクチュエータ１０２とが搭載されている。   As shown in FIG. 19, the body portion 105 of the flapping apparatus has a front wing shaft 103, a rear wing shaft 104, and a wing film provided so as to pass between the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104. A wing (left wing) having 106 is attached. In addition, a rotary actuator 101 for driving the front wing shaft 103 and a rotary actuator 102 for driving the rear wing shaft 104 are mounted on the body portion 105.

２つの回転型アクチュエータ１０１および１０２は、互いに回転軸８００を共有している。この回転軸８００と胴体軸８０１との間の交差角は、（９０°−θ）である。前（後）羽軸１０３（１０４）はアクチュエータ１０１（１０２）を支点として回転軸８００と直交する平面内を往復運動する。この回転軸８００と直交する平面と胴体軸８０１とのなす角度はθである。   The two rotary actuators 101 and 102 share the rotation axis 800 with each other. The crossing angle between the rotating shaft 800 and the body shaft 801 is (90 ° −θ). The front (rear) wing shaft 103 (104) reciprocates in a plane orthogonal to the rotation shaft 800 with the actuator 101 (102) as a fulcrum. The angle formed by the plane perpendicular to the rotation axis 800 and the body axis 801 is θ.

胴体部１０５としては、機械的強度を確保するとともに、十分な軽量化を図るために、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などが円筒状に成形されたものが望ましい。   As the body portion 105, it is desirable that polyethylene terephthalate (PET) or the like is formed into a cylindrical shape in order to ensure mechanical strength and achieve sufficient weight reduction.

アクチュエータ１０１、１０２としては、起動トルクが大きいこと、往復運動が簡単に実現できることおよび構造が単純なことなどから、圧電素子（ピエゾ）を用いた超音波進行波アクチュエータを用いることが望ましい。超音波進行波アクチュエータとしては、回転型アクチュエータとリニア型アクチュエータとの２つの種類が考えられる。図１９では、回転型アクチュエータが用いられている。この回転型アクチュエータの基本構造は、図１１〜図１５を用いて、既に説明されている。   As the actuators 101 and 102, it is desirable to use an ultrasonic traveling wave actuator using a piezoelectric element (piezo) because the starting torque is large, the reciprocating motion can be easily realized, and the structure is simple. There are two types of ultrasonic traveling wave actuators: a rotary actuator and a linear actuator. In FIG. 19, a rotary actuator is used. The basic structure of this rotary actuator has already been described with reference to FIGS.

図１９に示された羽ばたき装置では、前述したように、回転型アクチュエータ１０１、１０２には前羽軸１０３と後羽軸１０４とがそれぞれ接続されている。前羽軸１０３と後羽軸１０４と間には羽の膜１０６が張られている。羽の膜１０６は、その面内において収縮する方向に自発的な張力を有しており、その張力が羽全体の剛性を高める働きをしている。   In the flapping apparatus shown in FIG. 19, as described above, the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 are connected to the rotary actuators 101 and 102, respectively. A wing film 106 is stretched between the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104. The wing film 106 has a spontaneous tension in the direction of contraction in the plane, and the tension serves to increase the rigidity of the entire wing.

羽ばたき装置の軽量化のため、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、中空構造で形成されているとともに、カーボングラファイトから成っている。このため、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、弾力性を有する。また、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、羽の膜１０６の張力により変形し得る。   In order to reduce the weight of the flapping apparatus, each of the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 is formed of a hollow structure and is made of carbon graphite. For this reason, each of the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 has elasticity. Each of the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 can be deformed by the tension of the wing film 106.

図２９は本羽ばたき装置の全体の構造を示す図である。なお、前方方向に向かって左側の羽は省略されている。   FIG. 29 shows the overall structure of the flapping apparatus. Note that the left wing is omitted in the forward direction.

胴体部７００には、超音波センサ７０１、赤外線センサ７０２、加速度センサ７０３、および角加速度センサ７０４が配されている。これらのセンサによる検出結果は羽ばたき制御部７０５に送られる。羽ばたき制御部７０５では、超音波センサ７０１および赤外線センサ７０２によって検出された結果から羽ばたき装置と周囲の障害物および人間との距離などの情報が処理される。また、加速度センサ７０３および角加速度センサ７０４によって検知された情報に基づいて、羽ばたき装置の浮上状態、目的位置または姿勢などの情報が処理される。それにより、左右のアクチュエータ１０１（１０２）および重心制御部７０７の駆動制御が決定される。   An ultrasonic sensor 701, an infrared sensor 702, an acceleration sensor 703, and an angular acceleration sensor 704 are disposed on the body 700. The detection results by these sensors are sent to the flapping control unit 705. The flapping control unit 705 processes information such as the distance between the flapping apparatus and surrounding obstacles and a human from the results detected by the ultrasonic sensor 701 and the infrared sensor 702. Further, based on information detected by the acceleration sensor 703 and the angular acceleration sensor 704, information such as the flying state, the target position, or the posture of the flapping apparatus is processed. Thereby, drive control of the left and right actuators 101 (102) and the gravity center control unit 707 is determined.

制御部７０５とメモリ部７０８とは電気的に接続されており、制御部７０５は羽ばたき制御に必要な既存のデータをメモリ部７０８から読出す。また、各センサ７０１〜７０４によって得られた情報がメモリ部７０８に送り込まれることによって、必要に応じてメモリ部７０８の情報が書換えられる。   The control unit 705 and the memory unit 708 are electrically connected, and the control unit 705 reads existing data necessary for flapping control from the memory unit 708. Further, the information obtained by the sensors 701 to 704 is sent to the memory unit 708, whereby the information in the memory unit 708 is rewritten as necessary.

また、羽ばたき制御部７０５は、通信制御部７０９に接続されているとともに、通信制御部７０９とデータの入出力を行なうことができる。通信制御部７０９は、アンテナ部７１０を介して外部の装置とのデータの送受信を行なう。   The flapping control unit 705 is connected to the communication control unit 709 and can input / output data to / from the communication control unit 709. The communication control unit 709 transmits / receives data to / from an external device via the antenna unit 710.

超音波センサ７０１、赤外線センサ７０２、加速度センサ７０３、角加速度センサ７０４、羽ばたき制御部７０５、左右のアクチュエータ１０１（１０２）、重心制御部７０７、メモリ部７０８、通信制御部７０９、およびアンテナ部７１０などは、電源部７１１により供給される電流によって駆動される。   Ultrasonic sensor 701, infrared sensor 702, acceleration sensor 703, angular acceleration sensor 704, flapping control unit 705, left and right actuator 101 (102), center of gravity control unit 707, memory unit 708, communication control unit 709, antenna unit 710, etc. Is driven by the current supplied by the power supply unit 711.

（浮上方法）
説明の簡便のため、本羽ばたき装置に作用する外力は、羽が流体から受ける流体力と羽ばたき装置に作用する重力（羽ばたき装置の質量と重力加速度との積）のみであるとする。本羽ばたき装置が恒常的に浮上するためには、１回の羽ばたき動作の間の時間平均において、次の関係、
（羽に作用する鉛直上方向の流体力）＞（本羽ばたき装置に作用する重力）
を満たすことが必要とされる。 (Floating method)
For simplicity of explanation, it is assumed that the external force acting on the flapping apparatus is only the fluid force that the wing receives from the fluid and the gravity acting on the flapping apparatus (the product of the mass of the flapping apparatus and the gravitational acceleration). In order for the flapping apparatus to constantly rise, the following relationship is obtained in the time average during one flapping operation:
(Vertical fluid force acting on the wing)> (Gravity acting on the flapping device)
It is necessary to meet.

なお、１回の羽ばたき動作とは、１回の羽を打ち下ろしおよび１回の羽を打ち上げ動作をいう。   Note that a single flapping operation means a single wing down operation and a single wing up operation.

さらに、羽ばたき装置を上昇させるためには、
（打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力）＞（打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力）
という条件を具備する必要がある。 Furthermore, to raise the flapping device,
(Vertical upward fluid force acting on the wing in the down motion)> (Vertical downward fluid force acting on the wing in the launch motion)
It is necessary to satisfy the condition.

ここでは、昆虫の羽ばたき方を単純化した羽ばたき方法により、打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力（以下「打ち下ろし時の流体力」と記す。）を、打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力（以下「打ち上げ時の流体力」と記す。）より大きくする方法について説明する。   Here, the vertical upward fluid force acting on the wing during the down motion (hereinafter referred to as “the fluid force during the down motion”) is applied to the wing during the launch operation, using a simplified method of flapping the insects. A method of increasing the vertical downward fluid force (hereinafter referred to as “fluid force at launch”) will be described.

説明の簡便のため、流体の挙動もしくは流体が羽に及ぼす力については、その主要成分を挙げて説明する。また、この羽ばたき方法により得られる浮上力と、本羽ばたき装置に作用する重力（以下「重量」と記す。）の大小との関係については後述する。   For simplicity of explanation, the behavior of the fluid or the force exerted by the fluid on the wing will be described with reference to its main components. The relationship between the levitation force obtained by this flapping method and the magnitude of gravity (hereinafter referred to as “weight”) acting on the flapping apparatus will be described later.

打ち下ろし時の流体力を打ち上げ時の流体力よりも大きくするためには、打ち下ろし時に羽の膜１０６が移動する空間の体積が最大になるように打ち下ろせばよい。そのためには、羽の膜１０６を水平面と略平行に打ち下ろせばよく、これにより、ほぼ最大の流体力を得ることができる。   In order to make the fluid force at the time of downstroke greater than the fluid force at the time of launch, the fluid force may be lowered so that the volume of the space in which the wing film 106 moves during the downstroke is maximized. For this purpose, the wing film 106 may be pushed down substantially in parallel with the horizontal plane, whereby a substantially maximum fluid force can be obtained.

反対に、打ち上げ時には羽の膜１０６が移動する空間の体積が最小になるように打ち上げればよい。そのためには、羽の膜１０６を水平面に対して略直角に近い角度で打ち上げればよく、これにより、羽に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。   On the other hand, the launch may be performed so that the volume of the space in which the feather film 106 moves is minimized. For this purpose, the wing film 106 may be launched at an angle close to a substantially right angle with respect to the horizontal plane, so that the fluid force exerted on the wing is substantially minimized.

回転型アクチュエータ１０１、１０２により回転軸８００のまわりに前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれを回転往復運動させる際に、羽軸１０３と羽軸１０４との間に張られた羽の膜１０６が水平面と略一致する位置を中心として上方と下方とにそれぞれ角度γだけ往復運動させるとする。さらに、図２０に示すように、前羽軸１０３の往復運動に対して後羽軸１０４の往復運動を位相差φだけ遅れさせる。   When the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 are rotated and reciprocated around the rotation shaft 800 by the rotary actuators 101 and 102, a wing film 106 stretched between the wing shaft 103 and the wing shaft 104 is formed. Assume that reciprocation is performed by an angle γ upward and downward about a position substantially coincident with the horizontal plane. Further, as shown in FIG. 20, the reciprocating motion of the rear wing shaft 104 is delayed by the phase difference φ with respect to the reciprocating motion of the front wing shaft 103.

これにより、図２１〜図２８（ここではφ＝２０°として描いた）に示す一連の羽の往復運動のうち、図２１〜図２５に示された打ち下ろし時においては、より高い位置にある回転型アクチュエータ１０１の前羽軸１０３が先に打ち下ろされる。そのため、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間に張られた羽の膜３０６が水平面に近づく。   Accordingly, in the reciprocating motion of the wing shown in FIGS. 21 to 28 (here, drawn as φ = 20 °), the down position shown in FIGS. 21 to 25 is at a higher position. The front wing shaft 103 of the rotary actuator 101 is lowered first. Therefore, the wing film 306 stretched between the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 approaches the horizontal plane.

一方、図２５〜図２８に示された打ち上げ時においては、前羽軸１０３の先端と後羽軸１０４の先端との高さの差が拡大されて、羽の膜１０６が鉛直面に近づく。この結果、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間に張られた羽の膜１０６の流体を押し下げる量と押し上げる量とに差異が生じる。それにより、この羽ばたき装置の場合には、打ち下ろし時の流体力の方が打ち上げ時の流体力よりも大きくなって浮上力が得られることになる。   On the other hand, at the time of launch shown in FIGS. 25 to 28, the difference in height between the tip of the front wing shaft 103 and the tip of the rear wing shaft 104 is enlarged, and the wing film 106 approaches the vertical plane. As a result, there is a difference between the amount by which the fluid of the wing film 106 stretched between the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 is pushed down and the amount by which the fluid is pushed up. As a result, in the case of this flapping apparatus, the fluid force at the time of downstroke is greater than the fluid force at the time of launch, and a floating force is obtained.

この浮上力のベクトルは、位相差φを変化させることにより、羽ばたき装置の前方向および後方向のいずれかに傾く。この浮上力のベクトルが、前方向に傾けば羽ばたき装置は推進運動を行ない、後方に傾けば羽ばたき装置は後退運動を行ない、真上に向けば羽ばたき装置は停空飛翔（ホバリング）を行なう。なお、実際の羽ばたき飛行の制御では、位相差φ以外にも、羽ばたき周波数ｆおよび羽ばたき角γ（羽ばたき動作の振幅）が制御される。また、この羽ばたき装置では、羽ばたき仰角すなわちストローク角θが固定されているが、これを変化させる機能が羽ばたき装置に付加されていてもよい。その構成によれば、羽ばたき飛行の制御の自由度が増加する。   This levitation force vector tilts in either the forward or backward direction of the flapping apparatus by changing the phase difference φ. If the levitation force vector is tilted forward, the flapping device performs a propulsion motion, if it is tilted backward, the flapping device performs a backward movement, and if it is directed directly above, the flapping device performs a flying flight (hovering). In actual flapping flight control, flapping frequency f and flapping angle γ (amplitude of flapping motion) are controlled in addition to phase difference φ. Further, in this flapping apparatus, the flapping elevation angle, that is, the stroke angle θ is fixed, but a function of changing this may be added to the flapping apparatus. According to the configuration, the degree of freedom of control of flapping flight increases.

（羽ばたき制御）
実際の羽ばたき制御についてさらに詳細に説明する。上述した羽ばたき装置では、打ち下ろし動作または打ち上げ動作の際に、羽の先端部がなす捻り角αは、羽の長さ（羽の膜６の前羽軸１０３および後羽軸１０４に沿った長さ）をｌ、羽の幅（前羽軸１０３と後羽軸１０４との間隔）をｗ、羽ばたき角をγ、羽ばたき運動の位相をτ（最も打ち上げた瞬間を０°、最も打ち下ろした瞬間を１８０°とする）、前羽軸１０３と後羽軸１０４の位相差をφとすれば（図２１、図２７、図２８を参照）、およそ以下の式で表わされる。 (Flapping control)
The actual flapping control will be described in more detail. In the above-described flapping apparatus, the twist angle α formed by the tip of the wing during the down or up operation is the length of the wing (the length along the front wing axis 103 and the rear wing axis 104 of the wing film 6). Is), l is the width of the wing (the distance between the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104), w is the flapping angle, γ is the flapping motion phase, τ (the moment when it is most lifted is 0 °, the moment when it is most down If the phase difference between the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 is φ (see FIGS. 21, 27, and 28), it is approximately expressed by the following equation.

ｔａｎα＝（ｗ／ｌ）・〔ｓｉｎ（γ・ｃｏｓτ）−ｓｉｎ｛γ・ｃｏｓ（τ＋φ）｝〕
実際には、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、弾性力を有しているため、羽ばたき動作中には変形する。そのため、捻り角αは前述の値とは多少違った値になる。また、羽軸１０３（１０４）の根元ほど捻り角αの大きさは小さい。しかしながら、以下の説明では、簡便のため、捻り角として上の式のαを用いて説明する。 tan α = (w / l) · [sin (γ · cos τ) −sin {γ · cos (τ + φ)}]
Actually, each of the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 has an elastic force, and thus deforms during the flapping operation. Therefore, the twist angle α is slightly different from the aforementioned value. Further, the twist angle α is smaller at the root of the wing shaft 103 (104). However, in the following description, for the sake of simplicity, description will be made using α in the above equation as the twist angle.

捻りが加えられていない羽に作用する流体力の鉛直方向成分Ｆは、流体の密度をρ、羽ばたき角をγ、羽ばたき周波数をｆとすると、次の式
Ｆ＝（４／３）・π2・ρ・ｗ・γ2・ｆ2・ｌ3・ｓｉｎ2τ・ｃｏｓ（γ・ｃｏｓτ）
で表される。なお、左右の羽それぞれに作用する流体力の水平方向成分は、左右の羽同士が同じ運動（左右対称の運動）をすれば、互いに打ち消し合うことになる。 The vertical component F of the fluid force acting on the wings to which no torsion is applied is given by the following formula F = (4/3) · π 2 , where ρ is the fluid density, γ is the flapping angle, and f is the flapping frequency.・ Ρ ・ w ・ γ 2・ f 2・ l 3・ sin 2 τ ・ cos (γ ・ cos τ)
It is represented by The horizontal component of the fluid force acting on the left and right wings cancels each other if the left and right wings move in the same motion (a symmetric motion).

羽が捻り角αである場合には、上記流体力の鉛直方向成分Ｆの羽ばたき運動平面（図１のストローク面１０）に対して、垂直な成分Ｌと水平な成分Ｄとは、それぞれ次のような式で表される。   When the wing has a twist angle α, the vertical component L and the horizontal component D with respect to the flapping motion plane (stroke surface 10 in FIG. 1) of the vertical component F of the fluid force are as follows: It is expressed by the following formula.

Ｌ＝Ｆ・ｃｏｓα・ｓｉｎα
Ｄ＝Ｆ・ｃｏｓ2α
さらに、羽ばたき仰角すなわちストローク角θが考慮されれば、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Ａと、前後運動の推力となる水平方向成分Ｊとは、打ち下ろし時では、次の式
Ａ↓＝−Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ↓＝−Ｌ・ｓｉｎθ−Ｄ・ｃｏｓθ
打ち上げ時では、
Ａ↑＝Ｌ・ｃｏｓθ−Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ↑＝Ｌ・ｓｉｎθ＋Ｄ・ｃｏｓθ
で表される。実際の浮力および推進力は、羽ばたき運動の１周期分を積分したものとなる。 L = F ・ cosα ・ sinα
D = F · cos 2 α
Furthermore, if the flapping elevation angle, that is, the stroke angle θ is taken into consideration, the vertical component A that should be balanced with the weight and the horizontal component J that is the thrust of the longitudinal motion are expressed by the following formula when the downstroke: A ↓ = − L ・ cosθ + D ・ sinθ
J ↓ = -L · sinθ-D · cosθ
At launch,
A ↑ = L ・ cos θ−D ・ sin θ
J ↑ = L · sinθ + D · cosθ
It is represented by The actual buoyancy and propulsive force are obtained by integrating one cycle of flapping motion.

一例として、羽ばたき装置の羽の長さｌ＝４ｃｍ、羽の幅ｗ＝１ｃｍ、羽ばたき仰角θ＝３０°、羽ばたき角γ＝６０°、羽ばたき周波数ｆ＝５０Ｈｚ、打ち下ろし時の位相差φ↓＝４°、打ち上げ時の位相差φ↑＝１６°である羽ばたき装置を考える。この羽ばたき装置の羽ばたき動作により生じる浮上力の鉛直方向成分Ａおよび水平方向成分Ｊそれぞれの時間的な変化の様子と各角度の時間的な変化の様子とを図３０に示す。   As an example, the wing length l = 4 cm, the wing width w = 1 cm, the flapping elevation angle θ = 30 °, the flapping angle γ = 60 °, the flapping frequency f = 50 Hz, and the phase difference φ ↓ = Consider a flapping apparatus with a 4 ° launch phase difference φ ↑ = 16 °. FIG. 30 shows the temporal changes in the vertical component A and the horizontal component J of the levitation force generated by the flapping operation of the flapping apparatus and the temporal changes in each angle.

図３０においては、横軸が時間軸であり、羽ばたき動作の１周期分の時間と羽ばたき運動の位相τとの関係が表わされている。図３０では、位相τが０〜１８０度までが打ち下ろし動作の様子を示しており、位相τが１８０〜３６０度までが打ち上げ動作の様子を示している。図３０のグラフの各曲線は、前羽軸１０３の羽ばたき角γｆ、後羽軸１０４の羽ばたき角γｂ、水平面からの羽の捻り角（θ−α）、流体力の鉛直方向成分Ａ、および水平方向成分Ｊの時間的な変化の様子を示している。   In FIG. 30, the horizontal axis is the time axis, and represents the relationship between the time of one cycle of the flapping operation and the phase τ of the flapping motion. In FIG. 30, the phase τ is from 0 to 180 degrees and the down operation is shown, and the phase τ is from 180 to 360 degrees and the launch operation is shown. Each of the curves in the graph of FIG. 30 includes a flapping angle γf of the front wing shaft 103, a flapping angle γb of the rear wing shaft 104, a wing twist angle (θ−α) from a horizontal plane, a vertical component A of fluid force, and a horizontal The state of the direction component J over time is shown.

この例では、単位時間当りの流体力の鉛直方向成分Ａにおいては打ち下ろし時の方が打ち上げ時よりも大きいため、１周期の平均で約５００ｄｙｎの鉛直上向きの流体力が１枚の羽で得られる。したがって、２枚の羽の羽ばたき動作によって、約１０００ｄｙｎの鉛直上向きの流体力が得られる。その結果、羽ばたき装置の重量が約１ｇ以下であれば、羽ばたき装置は浮上することができる。また、単位時間当りの流体力の水平方向成分Ｊは、左右の羽の羽ばたき動作それぞれによって生じる流体力の和である。左右の羽の羽ばたき動作それぞれによって生じる流体力の水平成分Ｊ同士は、羽ばたき動作の１周期の間に互いにほぼ打ち消されるため、重量１ｇ程度の羽ばたき装置であればホバリング可能となる。   In this example, in the vertical direction component A of the fluid force per unit time, the downward force is greater than the launch time, so an average upward fluid force of about 500 dyn per cycle can be obtained with one wing. It is done. Accordingly, a vertically upward fluid force of about 1000 dyn is obtained by the flapping operation of the two wings. As a result, if the weight of the flapping apparatus is about 1 g or less, the flapping apparatus can rise. The horizontal component J of the fluid force per unit time is the sum of the fluid forces generated by the left and right wing flapping operations. Since the horizontal components J of the fluid force generated by the flapping motions of the left and right wings are substantially canceled with each other during one cycle of the flapping motion, a flapping device having a weight of about 1 g can be hovered.

ここで、打ち下ろし時の位相差φ↓を大きくするか、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を小さくすれば、羽ばたき装置は前進する。このとき、羽ばたき装置を水平方向に前進させるためには、羽ばたき動作の周波数ｆを少し小さくすることが望ましい。逆に、打ち下ろし時の位相差φ↓を小さくするか、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を大きくすれば、羽ばたき装置は後退する。このとき、羽ばたき装置を水平に後退させるためには、羽ばたき動作の周波数ｆを少し大きくすることが望ましい。   Here, if the phase difference φ ↓ at the time of downstroke is increased or the phase difference φ ↑ at the time of launch is reduced, the flapping apparatus moves forward. At this time, in order to advance the flapping apparatus in the horizontal direction, it is desirable to slightly reduce the frequency f of the flapping operation. Conversely, if the phase difference φ ↓ at the time of downstroke is reduced or the phase difference φ ↑ at the time of launch is increased, the flapping device moves backward. At this time, in order to retract the flapping apparatus horizontally, it is desirable to slightly increase the frequency f of the flapping operation.

この羽ばたき装置では、たとえば、打ち上げ時の位相差φ↑を１６°に保ったまま、打ち下ろし時の位相差φ↓を７°にするか、または、打ち下ろし時の位相差φ↓を４°に保ったまま、打ち上げ時の位相差φ↑を１１°にするとともに、羽ばたき周波数ｆを４８Ｈｚにすることで、羽ばたき装置は、最初の１秒間におよそ１ｍの速度で水平方向に前進することができる。   In this flapping apparatus, for example, while keeping the phase difference φ ↑ at the time of launch at 16 °, the phase difference φ ↓ at the time of launch is set to 7 °, or the phase difference φ ↓ at the time of launch is set to 4 °. The flapping apparatus can advance horizontally at a speed of about 1 m in the first second by setting the phase difference φ ↑ at launch to 11 ° and keeping the flapping frequency f to 48 Hz. it can.

また、たとえば、打ち上げ時の位相差φ↑を１６°に保ったまま、打ち下ろし時の位相差φ↓を１°にするか、または、打ち下ろし時の位相差φ↓を４°に保ったまま、打ち上げ時の位相差φ↑を２４°にするとともに、羽ばたき周波数ｆを５４Ｈｚにすることにより、羽ばたき装置は、最初の１秒間におよそ１ｍの速度で水平方向に後退する。   Further, for example, while keeping the phase difference φ ↑ at the time of launch at 16 °, the phase difference φ ↓ at the time of launch is set to 1 °, or the phase difference φ ↓ at the time of launch is kept at 4 °. While the phase difference φ ↑ at the time of launch is set to 24 ° and the flapping frequency f is set to 54 Hz, the flapping apparatus moves backward in the horizontal direction at a speed of approximately 1 m in the first second.

ホバリングを実現する羽の羽ばたき動作を維持したまま、羽ばたき装置を上昇または下降させるためには、周波数ｆを上げるかまたは下げるかすればよい。水平飛行中でも、主に周波数ｆを制御することによって上昇と下降との制御を行なうことが可能である。周波数ｆを上げることで羽ばたき装置は上昇し、周波数ｆを下げることで羽ばたき装置は下降する。   In order to raise or lower the flapping apparatus while maintaining the flapping operation of the wings that realize hovering, the frequency f may be increased or decreased. Even during level flight, it is possible to control ascent and descent mainly by controlling the frequency f. Increasing the frequency f raises the flapping apparatus, and lowering the frequency f lowers the flapping apparatus.

この例では、打ち上げ動作中もしくは打ち下ろし動作中にも、羽の捻り角αをゆっくり変化させている。これは、アクチュエータへの負荷を減らすためである。浮力を得るための羽ばたき運動としては、打ち上げ動作中や打ち下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の値に設定して、打ち下ろし動作から打ち上げ動作、もしくは、打ち上げ動作から打ち下ろし動作への変化点において捻り角αを急激に変化させるようにしてもよい。   In this example, the wing twist angle α is slowly changed during the launching operation or the downing operation. This is to reduce the load on the actuator. As a flapping motion to obtain buoyancy, set the torsion angle α of the wing to a constant value during the launching operation or downing operation, and from the downing operation to the launching operation, or from the launching operation to the downing operation You may make it change the twist angle (alpha) rapidly in a change point.

羽ばたき仰角θ＝０°とした場合の鉛直方向成分Ａと水平方向成分Ｊの時間変化を各角度の時間変化とともに図３１に示す。図３１に示す運動は、ハチドリのホバリングにヒントを得た羽ばたき運動である。なお、左右方向の舵取りは、左右の羽の羽ばたき運動を別々に制御して、左右の羽それぞれによる推力に差を持たせればよい。たとえば、前方へ飛行中に右方向へ旋回するには、右羽の羽ばたき角γを左羽よりも小さくするか、もしくは、右羽の前羽軸１０３の位相と後羽軸１０４の位相との差を左羽の前羽軸１０３の位相と後羽軸１０４の位相との差より大きくするか、または、羽ばたき仰角θが制御できるような場合には、右羽のθを左羽のθよりも小さくするといった制御を行なう。これにより、右羽の推進力が左羽の推進力に比べて相対的に低くなるため、羽ばたき装置は、右に旋回する。羽ばたき装置を左へ旋回させる場合には、右旋回の羽の動作と左右対称の羽の動作を実現する制御を行なえばよい。   FIG. 31 shows temporal changes of the vertical direction component A and the horizontal direction component J together with the temporal change of each angle when the flapping elevation angle θ = 0 °. The motion shown in FIG. 31 is a flapping motion inspired by hummingbird hovering. In the left-right direction steering, the flapping motion of the left and right wings may be controlled separately to give a difference in thrust between the left and right wings. For example, to make a right turn while flying forward, the flapping angle γ of the right wing is made smaller than that of the left wing, or the phase of the front wing shaft 103 of the right wing and the phase of the rear wing shaft 104 When the difference is made larger than the difference between the phase of the front wing shaft 103 and the phase of the rear wing shaft 104 of the left wing, or when the flapping elevation angle θ can be controlled, the right wing θ is made larger than the left wing θ. Control is also made to make it smaller. Thereby, since the propulsive force of the right wing becomes relatively lower than the propulsive force of the left wing, the flapping device turns to the right. In the case of turning the flapping apparatus to the left, it is only necessary to perform control for realizing a right-turning wing operation and a symmetrical wing operation.

また、図３２および図３３には、本実施の形態の羽ばたき装置が、右の前羽軸１０３および左の羽軸１０３のそれぞれの振幅（羽ばたき角γ）の範囲を、図２に示すストローク面１０内において、反時計まわりにΔγだけずらしたときの、羽ばたき運動の振幅(羽ばたき角γ）と羽ばたき運動の位相との関係が示されている。また、図３２および図３３では、左右それぞれにおいて、前羽軸１０３と後羽軸１０４とが同じ角度だけ反時計まわりに振幅の範囲がずれた場合の、羽ばたき運動の振幅と羽ばたき運動の位相との関係が示されている。   32 and 33, the flapping apparatus of the present embodiment shows the range of the amplitude (flapping angle γ) of the right front wing shaft 103 and the left wing shaft 103 in the stroke plane shown in FIG. 10, the relationship between the flapping motion amplitude (flapping angle γ) and the flapping motion phase when shifted by Δγ counterclockwise is shown. 32 and 33, the amplitude of the flapping motion and the phase of the flapping motion in the case where the amplitude range of the front wing shaft 103 and the rear wing shaft 104 deviate counterclockwise by the same angle in the left and right respectively. The relationship is shown.

なお、本実施の形態の羽ばたき装置は、重心Ｇは、図１９に示すように、胴体軸８０１上であって、後羽軸１０４が取付けられている位置よりも後ろ側に位置する。したがって、実施の形態１において、図１〜図９を用いて説明した原理を用いて、左方向または右方向への旋回を行なうことができる。このことを具体的に説明すると、次のようなものである。   In the flapping apparatus of the present embodiment, the center of gravity G is located on the trunk shaft 801 and behind the position where the rear wing shaft 104 is attached, as shown in FIG. Therefore, in the first embodiment, it is possible to turn leftward or rightward using the principle described with reference to FIGS. This will be specifically described as follows.

図３２は、本実施の形態の羽ばたき装置の左の前羽軸１０３の羽ばたき動作の振幅の中心位置がホバリング時の羽ばたき運動の振幅の中心位置からΔγだけ正の側に回転移動した状態を示す図である。図３３は、本実施の形態の羽ばたき装置の右の前羽軸１０３の羽ばたき動作の振幅の中心位置がホバリング時の羽ばたき運動の振幅の中心位置からΔγだけ負の側に回転移動した状態を示す図である。   FIG. 32 shows a state in which the center position of the amplitude of the flapping motion of the left front wing shaft 103 of the flapping apparatus of the present embodiment has been rotated to the positive side by Δγ from the center position of the flapping motion amplitude during hovering. FIG. FIG. 33 shows a state in which the center position of the amplitude of the flapping motion of the right front wing shaft 103 of the flapping apparatus of the present embodiment has been rotated to the negative side by Δγ from the center position of the flapping motion amplitude during hovering. FIG.

なお、本実施の形態の羽ばたき装置は、Δγを適宜変更することが可能であり、さらに、左右の羽でΔγを異ならせることが可能である。したがって、本実施の形態の羽ばたき装置は、羽ばたき動作の大きさおよび羽ばたき動作の振幅の中心位置を変化させることが可能である。また、本実施の形態においても、ストローク面１０は、図１〜図８に示すものと同様のストローク面であるものとする。このように、本実施の形態の羽ばたき装置は、羽ばたき動作の振幅の中心位置を変化させることが可能である。   Note that the flapping apparatus of the present embodiment can appropriately change Δγ, and can also make Δγ different between the left and right wings. Therefore, the flapping apparatus of the present embodiment can change the magnitude of the flapping motion and the center position of the flapping motion amplitude. Also in this embodiment, the stroke surface 10 is the same stroke surface as that shown in FIGS. Thus, the flapping apparatus of the present embodiment can change the center position of the amplitude of the flapping operation.

したがって、本実施の形態の羽ばたき装置は、実施の形態１の羽ばたき装置と同様に、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３および後羽軸１０４の羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角γ）の大きさを互いに異ならせるように駆動することにより、本体部としての胴体部１０５が左旋回または右旋回することができる。また、図３２および図３３に示すように、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３（左右の後羽軸１０４）の羽ばたき動作の振幅(羽ばたき角γ）の中心位置を互いに異ならせるように駆動しても、胴体部１０５は左または右に旋回することができる。   Therefore, in the flapping apparatus of the present embodiment, similarly to the flapping apparatus of the first embodiment, the actuators 101 and 102 have the amplitude (flapping angle γ) of the flapping motion of the left and right front wing shafts 103 and the rear wing shaft 104. By driving so that the sizes are different from each other, the body portion 105 as the main body portion can turn left or right. Further, as shown in FIGS. 32 and 33, the actuators 101 and 102 are configured so that the center positions of the amplitude (flapping angle γ) of the flapping motion of the left and right front wing shafts 103 (left and right rear wing shafts 104) are different from each other. Even when driven to the right, the body part 105 can turn left or right.

また、本実施の形態の羽ばたき装置においても、実施の形態１の羽ばたき装置と同様に、胴体部１０５が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）の羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角γ）の大きさが互いにほぼ等しくなるように駆動することが望ましい。   Also in the flapping apparatus of the present embodiment, as in the flapping apparatus of the first embodiment, when the body portion 105 turns left or right, the actuators 101 and 102 are moved to the left and right front wing shafts 103. It is desirable to drive so that the amplitudes (flapping angle γ) of the flapping motion of (rear wing shaft 104) are substantially equal to each other.

また、胴体部１０５が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）の羽ばたき動作の周波数が互いにほぼ等しくなうように駆動することが望ましい。   Further, when the body portion 105 turns left or right, the actuators 101 and 102 are driven so that the frequencies of the flapping operations of the left and right front wing shafts 103 (rear wing shafts 104) are substantially equal to each other. It is desirable.

なお、本実施の形態の羽ばたき装置においても、実施の形態１の羽ばたき装置と同様に、胴体部１０５が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ１０１，１０２は、一旦羽ばたき装置が、左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）に、ホバリング状態になる羽ばたき動作をさせる。その後、アクチュエータ１０１，１０２は、左旋回または右旋回のための羽ばたき動作を左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）に開始させる。それにより、本実施の形態の羽ばたき装置は、安定して左または右に旋回することができる。   In the flapping apparatus of the present embodiment, similarly to the flapping apparatus of the first embodiment, when the body portion 105 turns left or right, the actuators 101 and 102 are temporarily moved to the left and right. The front wing shaft 103 (rear wing shaft 104) is caused to perform a flapping operation to enter a hovering state. Thereafter, the actuators 101 and 102 cause the left and right front wing shafts 103 (rear wing shafts 104) to start flapping motion for left or right turn. Thereby, the flapping apparatus of the present embodiment can turn to the left or right stably.

また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   In addition, it should be considered that the embodiment disclosed this time is illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

羽ばたき装置に設定された座標系と羽部が羽ばたき運動を行なうストローク面との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the coordinate system set to the flapping apparatus, and the stroke surface where a wing | wing part performs flapping motion. 羽ばたき装置がホバリング状態から回転運動（左右旋回）状態へ遷移するときの羽ばたき角の変化の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the change of a flapping angle when a flapping apparatus changes from a hovering state to a rotational motion (left-right turn) state. 羽ばたき装置のホバリング状態における羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分を示す図である。It is a figure which shows the vector component of the force which the flapping angle in the hovering state of a flapping apparatus and the force which a wing part exerts on a fluid. 羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分を示す図である。It is a figure which shows the vector component of the force which the flapping angle at the time of the rotational movement of the flapping apparatus and the wing part exerts on the fluid. 羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the vector component of the force which the flapping angle at the time of the rotational motion of the flapping apparatus and the wing part exerts on the fluid. 羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分のさらに別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the vector component of the force which the flapping angle and the wing | blade part exert on the fluid at the time of the rotational motion of the flapping apparatus. 羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分のまたさらに別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the vector component of the force which the flapping angle at the time of the rotational motion of the flapping apparatus and the wing part exerts on the fluid. 羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the vector component of the force which the flapping angle at the time of the rotational motion of the flapping apparatus and the wing part exerts on the fluid. 羽ばたき装置の回転運動（図４参照）のために角度γおよびΔγを変化させた時の力Ｆ〃の変化の態様を示すグラフである。It is a graph which shows the aspect of the change of force F〃 when changing angle (gamma) and (DELTA) γ for the rotational motion (refer FIG. 4) of a flapping apparatus. 実施の形態１の羽ばたき装置の構造を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the flapping apparatus of Embodiment 1. 実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータとしての超音波モータを示す平面図である。3 is a plan view showing an ultrasonic motor as an actuator used in the flapping apparatus of Embodiment 1. FIG. 実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータとしての超音波モータを示す側面図である。It is a side view which shows the ultrasonic motor as an actuator used for the flapping apparatus of Embodiment 1. FIG. 実施の形態１の羽ばたき装置の、図１１および図１２に示された超音波モータの動作を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the ultrasonic motor shown in FIGS. 11 and 12 of the flapping apparatus of the first embodiment. 実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの構成を説明するための第１の図である。It is a 1st figure for demonstrating the structure of the actuator used for the flapping apparatus of Embodiment 1. FIG. 実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの構成を説明するための第２の図である。It is a 2nd figure for demonstrating the structure of the actuator used for the flapping apparatus of Embodiment 1. FIG. 実施の形態１の羽ばたき装置の羽の往復運動の様子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the mode of the reciprocating motion of the wing | wing of the flapping apparatus of Embodiment 1. FIG. 実施の形態１の羽ばたき装置の羽の往復運動によって生じる羽の面内方向に沿う方向の流体の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the fluid in the direction in alignment with the in-plane direction of a wing | blade produced by the reciprocating motion of the wing | blade of the flapping apparatus of Embodiment 1. FIG. 実施の形態１の羽ばたき装置の羽軸の打ち上げおよび打ち下ろし方向の往復運動（回動）と羽軸が延びる方向を中心軸とした羽軸の回動との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the reciprocating motion (rotation) of the wing shaft of the flapping apparatus of Embodiment 1, and the rotation of the wing shaft centering on the direction where a wing shaft extends. . 実施の形態２の羽ばたき装置を示す部分正面図および部分側面図である。It is the partial front view and partial side view which show the flapping apparatus of Embodiment 2. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき運動の角度と羽ばたき運動の位相との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the angle of flapping movement of the flapping apparatus of Embodiment 2, and the phase of flapping movement. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第１の状態を示す図である。It is a figure which shows the 1st state of the flapping operation | movement of the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第２の状態を示す図である。It is a figure which shows the 2nd state of the flapping operation | movement in the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第３の状態を示す図である。It is a figure which shows the 3rd state of the flapping operation | movement in the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第４の状態を示す図である。It is a figure which shows the 4th state of the flapping operation | movement of the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第５の状態を示す図である。It is a figure which shows the 5th state of the flapping operation | movement of the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第６の状態を示す図である。It is a figure which shows the 6th state of the flapping operation | movement of the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第７の状態を示す図である。It is a figure which shows the 7th state of the flapping operation | movement of the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第８の状態を示す図である。It is a figure which shows the 8th state of the flapping operation | movement of the flapping apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の図１９に示す羽ばたき装置の構造を示す平面模式図である。FIG. 20 is a schematic plan view showing the structure of the flapping apparatus shown in FIG. 19 of the second embodiment. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽に作用する力および各角度のそれぞれの羽ばたき運動の位相に対する変化を示す第１のグラフである。It is a 1st graph which shows the change which acts on the wing | wing of the flapping apparatus of Embodiment 2, and each angle with respect to the phase of each flapping motion. 実施の形態２の羽ばたき装置の羽に作用する力および各角度のそれぞれの羽ばたき運動の位相に対する変化を示す第２のグラフである。It is a 2nd graph which shows the force which acts on the wing | wing of the flapping apparatus of Embodiment 2, and the change with respect to the phase of each flapping motion of each angle. 本実施の形態２の羽ばたき装置が右旋回する場合の羽ばたき運動の振幅と羽ばたき運動の位相との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amplitude of flapping motion and the phase of flapping motion in case the flapping apparatus of this Embodiment 2 turns right. 本実施の形態２の羽ばたき装置が左旋回する場合の羽ばたき運動の振幅と羽ばたき運動の位相との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amplitude of flapping motion and the phase of flapping motion in case the flapping apparatus of this Embodiment 2 turns counterclockwise.

符号の説明Explanation of symbols

１０ ストローク面、Ａ ホバリング時の右羽の羽ばたきの範囲、Ｂ ホバリング時の左羽の羽ばたきの範囲、Ｃ 回転運動時の右羽の羽ばたきの範囲、Ｄ 回転運動時の左羽の羽ばたきの範囲、１０７ａ，１０７ｂ 羽、１０８ａ，１０８ｂ 羽軸。   10 Stroke surface, Range of flapping of right wing when hovering, Range of flapping of left wing when hovering, Range of flapping of right wing during C rotating motion, Range of flapping of left wing during rotating motion, D 107a, 107b wings, 108a, 108b wing shafts.

Claims (5)

流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部および左羽部と、
前記右羽部および前記左羽部のそれぞれに、羽ばたき動作を行わせる駆動部と、
前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載された本体部とを備え、
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
一回または複数回の羽ばたき動作の時間平均において、
前記左羽部および前記右羽部のうちの一方の羽ばたき動作が前記流体に及ぼす力の水平成分ベクトルと、前記左羽部および前記右羽部のうちの他方の羽ばたき動作が前記流体に及ぼす力の水平成分ベクトルとが、左右非対称になるように、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置と前記左羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置とを異ならせる、羽ばたき装置。 Right and left wings for flapping the space where fluid exists,
A drive unit that causes each of the right wing part and the left wing part to perform a flapping operation;
The left wing portion and the right wing portion are attached, and a main body portion on which the driving unit is mounted,
When the main body turns left or right,
In the time average of one or more flapping actions,
The horizontal component vector of the force exerted on the fluid by the flapping action of one of the left wing part and the right wing part, and the force exerted on the fluid by the flapping action of the other of the left wing part and the right wing part So that the horizontal component vector of
The flapping device in which the driving unit makes the center position of the flapping motion of the right wing portion different from the center position of the flapping motion of the left wing portion . 前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと前記左羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさとを異ならせる、請求項１に記載の羽ばたき装置。 When the main body turns left or right,
The flapping apparatus according to claim 1, wherein the driving unit makes the magnitude of the flapping motion of the right wing portion different from the magnitude of the flapping motion of the left wing portion. 前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと前記左羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさとがほぼ同一になるように駆動する、請求項１に記載の羽ばたき装置。 When the main body turns left or right,
The flapping apparatus according to claim 1 , wherein the driving unit drives the flapping motion of the right wing portion and the flapping motion of the left wing portion so as to be substantially the same. 前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の周波数と前記左羽部の羽ばたき動作の周波数とがほぼ同一になるように駆動する、請求項１〜３のいずれかに記載の羽ばたき装置。 When the main body turns left or right,
The flapping device according to any one of claims 1 to 3, wherein the driving unit drives the flapping motion frequency of the right wing portion and the flapping motion frequency of the left wing portion to be substantially the same. 前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部および前記左羽部に、一旦羽ばたき装置がホバリング状態になる羽ばたき動作をさせた後、前記左旋回または前記右旋回のための羽ばたき動作を開始させる、請求項１〜４のいずれかに記載の羽ばたき装置。 When the main body turns left or right,
The drive unit causes the right wing part and the left wing part to start flapping operation for the left turn or the right turn after the flapping apparatus once performs a flapping operation in which the flapping apparatus is in a hovering state. The flapping apparatus according to any one of 1 to 4 .
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